在这项工作中，研究人员比较了几种基于d型锥形塑料光纤(TPOFs)的表面等离子体共振传感器的结构。 其中，用于获取SPR传感器的TPOFs是由实验室建立的基于两个电动直线定位台和加热板的系统制作的。初步进行了两种不同构型的比较分析，一种是在TPOFs的核心与金膜之间沉积了薄缓冲层，另一种是没有。在这一步之后，研究人员使用更简单的配置，没有缓冲层，实现了不同的SPR d型TPOF传感器。本文的研究对SPR d型多模塑料光纤(POF)传感器具有一定的意义，因为在没有锥度的情况下，其性能会随着光纤直径的减小而减小，而在d型传感区域的直径减小的SPR d型锥形光纤传感器，其性能会得到提高。对不同锥度比的SPR传感器的性能进行了分析和比较。使用折射率在1.332到1.381 RIU之间的水-甘油混合物测试了sp - tpof传感器。  根据理论，实验结果表明，随着锥度比的增大，SPR传感器的灵敏度也增大，而信噪比反而减小。

 相关论文以题为“     Experimental Characterization of Plasmonic Sensors Based on Lab-Built Tapered Plastic Optical Fibers    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 研究背景

 近二十年来，表面等离子体共振(SPR)技术作为生物和化学传感领域中几种传感器的检测原理得到了广泛的应用。 SPR现象发生在介电层和被p偏振光击中的金属薄膜(通常是金薄膜)之间的界面。入射光产生电子电荷密度波，称为电浆激元。电磁波，即表面等离子体波(SPW)，在金属-介质界面传播。当p-polarized光入射在这金属电介质界面以这样一种方式,传播常数(能量)的合成隐失波等于SPW的,强烈的光吸收发生由于能量的转移,以及浸在一个特定的波长(共振波长)出现在输出信号。共振波长高度依赖于介电层折射率的变化。

 因此，在SPR d型锥形POF传感器中，当d型传感区域的直径随着锥度比的变化以及锥形POF的形状在SPR输入/输出处也发生变化时，需要进行具体的分析。 本文通过实验详细分析了d型TPOFs实现的不同SPR传感器的性能。为了实现本研究所需的SPR传感器，研究人员首先获得了不同锥度比的TPOFs，然后通过抛光和溅射工艺制作d型传感区域。特别是,在本文中,研究人员首先设计描述了系统中使用的实验室实现TPOFs不同锥比率,然后他们还比较了这些SPR传感器的性能配置的灵敏度和信噪比。

 实验室建立的TPOFs制作系统

研究人员开发了一种新的自动系统来实现TPOFs。图1显示了已实现系统的示意图。具体来说，它包括两个电动线性定位台，连接到一台计算机和一个加热板(高达100℃)。POF保持在距离加热板约1.5 cm的固定高度(见图1)。所使用的塑料光纤具有980μm的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）纤芯和10μm的氟化包层。

 图1.原理图实验室建立的系统用于实现锥形塑料光纤(TPOFs)。

首先，通过特殊的支架使纤维在台面上保持稳定;然后，将POF在100℃下加热约2厘米，并通过改变两个微定位器的运动来拉伸。

两个微定位器的工作台的直线运动是由Physik Instrumente生产的卡片处理并安装在计算机上的。这个板是可编程的LabVIEW软件由两个“亚虚拟仪器”(sub-VIs)由Physik仪器提供。从这两个子vis开始，研究人员在LabVIEW 5.1中创建了一个“虚拟仪器”(VI)，在这个自定义界面中，用户可以从两个不同的面板中选择舞台的运动(以微米为单位)，通过改变这两个参数，就可以获得不同的锥度比。定义锥度比为ri与r0的比值，其中2r0为锥度区域的直径，2ri为使用的POF (1mm)的总直径。图2显示了实现的TPOF的顶部视图(使用ri和r0)。

 图2.实验室系统制作的TPOF俯视图。

当微定位器的长度设置增大时，锥度比也增大。在这项工作中，锥度比范围从1.3到1.8，取决于选择的参数。

 SPR-TPOF传感器

sp - tpof传感器基于长度约为10 mm的d型传感区域，如图3所示。

 图3.表面等离子体共振(SPR)-TPOF传感器:(a)有缓冲层的配置(b)无缓冲层的配置。

作为实现这些SPR传感器的第一步，研究人员将获得的TPOFs固定在一个树脂块中，使用两种不同的抛光纸(5和1°m)去除TPOFs的包层和部分核心，得到研究人员想要的d形区域。研究人员比较了在POF核心和d型区域的薄金膜之间的缓冲层(大约1.5微米厚的Microposit S1813光刻胶层)和不带缓冲层的两个sp - tpof传感器。为了用缓冲层(折射率大于核心的层)覆盖核心，研究人员使用了一个自旋涂布机。这两种配置都在图3中进行了简要报告。

研究人员使用没有缓冲层的sp - tpof传感器的配置(图3b)来研究当锥度比变化时性能的变化。在这种情况下，研究人员直接将金薄膜溅射在d型TPOF区域的核心上。

 实验装置

为了测试spring - tpof传感器，研究人员使用如图4所示的实验设置。它由一个白色光源照射在传感器和连接在传感器末端的光谱仪组成。卤素灯的波长发射范围为360 - 1700 nm，光谱仪的探测范围为350 - 1000 nm。

 图4.用于测试sp - tpof传感器的实验装置。

为了测试SPR传感器的配置，研究人员使用了不同的水-甘油溶液。

 结论

 研究人员在TPOFs中实现了几种SPR传感器，并进行了实验测试和比较。 首先，研究人员比较了两种配置(有和没有缓冲层)，以确定中间层对传感器性能的影响。选择了更简单的配置后，研究人员实现并测试了三个基于不同TPOFs的不同SPR传感器，这些传感器由实验室构建的系统制作，锥度比从1.3到1.5不等。

 研究人员确定随着锥度比的增加，灵敏度也会增加。然而，灵敏度的提高导致了信噪比的恶化。 特别地，三个sp - tpof传感器的半宽波值与利用非锥形、小直径POF(250°m)获得的值非常相似，但灵敏度是[25]的三倍。此外，与未优化的d形区域相比，所有的sp - pof传感器都表现出了更好的性能(灵敏度和信噪比)。  因此，所获得的结果表明，当在金薄膜上使用生物受体或仿生受体时，这种方法可以用于生物传感应用。