光纖SPR傳感技術的教學與實踐探究

蘇于東 魏勇 冉澤

基金項目：重慶三峽學院教育教學改革研究項目資助“依托創新實驗室培養創新創業人才的探索與實踐”（編號：JGQN2208）

摘 要：隨著現代科技日新月異的發展，傳感器技術得到了廣泛的應用并且被越來越多的人所熟知。對于電子科學與技術專業的教學改革，特別是傳感器原理和應用的相關課程教學，了解前沿的傳感技術對培養創新應用型人才，擴展學生專業知識具有很重要的作用。如何讓學生能夠真正了解科研，認知前沿的傳感技術，文章將以光纖表面等離子體共振（SPR）傳感技術為例，著重闡明上述問題。

關鍵詞：傳感器;教學改革;光纖SPR傳感技術

1引言

“傳感器原理及應用”作為大學本科電子科學與技術專業的基礎課程，目前的教學只是停留在書本上的基礎知識上，而其原理大多生硬難懂，學生無法真正理解。而在科技迅速發展的今天，企業對技術人員的探索創新能力以及自主研發能力的要求較高。如何鍛煉學生的創新型思維，發揮學生自主學習能力成為教學中探索的重點[1]。

表面等離子體共振（SPR）傳感技術作為一種新型的光學傳感技術，具有免標記、實時檢測、非接觸無損傷測量等優點[2]。廣泛應用在生物醫療、食品安全、環境監測和結構體健康監測等領域。因此，在“傳感器原理及應用”的實際教學過程中，引導學生認知了解光纖SPR傳感技術原理和相關實驗實踐知識，對學生了解前沿的科學技術，提高其學習理論課程的主動性有很大的幫助。

本文從光纖SPR傳感技術出發，介紹光纖SPR傳感器的相關原理以及具體的實驗制作過程。將前沿科研引入到課程教學當中，充分調動學生參與科研的積極性[3]。這樣，既提升了學生學習“傳感器原理及應用”這門課的積極性，同時也培養了學生初步的科研能力，為將來更快更好的融入社會奠定基礎，從而達到較好的教學效果[4]。

2理論知識教學

2.1光的全反射原理

在波動光學的理論中，當光線以入射角從光密介質入射到光疏介質，即時，入射光在折射率不同的介質的交界面處存在折射和反射現象，如圖1所示。

可看出折射角大于入射角，當入射角增大時，根據折射定律，折射角也隨之增大，當增大到某一數值時，折射角。當時，折射光線消失，光線全部反射，這時被定義為全反射臨界角。

光在光纖中就是以大于或等于臨界角的方式，在光纖纖芯和包層的交界面，不斷發生全反射向前傳輸的。

2.2光纖SPR原理

光在光纖中傳播遵循全反射原理，當光發生全反射時，會在纖芯與包層的交界面產生呈指數衰減的倏逝波，倘若在包層表面鍍制有納米級金屬膜，如金膜或者銀膜，則倏逝波會激發金屬膜表面的自由電子，產生表面等離子體。當倏逝波波矢與表面等離子體波矢相等時，兩者將發生能量耦合，產生表面等離子體共振，即SPR吸收。如此會導致某一波長處的反射光強急劇下降，在光譜曲線上表現為在改波長處的塌陷，這就是表面等離子體共振原理。

通過介紹光纖SPR原理，將傳感器的前沿技術引入課堂教學，學生能了解最新的科研動態，激發其學習的積極性。

3實驗教學

除了理論知識的傳授，學生還需要掌握一定的實驗實踐技能。通過理論和實驗的結合，提高學生的動手創新能力。

3.1光纖SPR傳感器測試

如圖2所示，光纖SPR傳感器測試系統包含超連續譜光源、光纖、SPR傳感區、光譜儀和計算機。超連續譜光源注入纖芯直徑為125um的光纖中，剝除1-2cm光纖的包層，露出纖芯，在纖芯處鍍制50-60nm金膜，形成SPR傳感區;光纖另一端接入光譜儀和計算機，分析光譜的變化情況，從而得出SPR傳感器相關性能參數。

3.2具體實驗操作

取1m長的塑包光纖（塑料包層光纖，其纖芯為高純度石英玻璃制成，其包層為折射率比石英稍低的如硅膠等塑料制成），在塑包光纖中間處，用刀片剝掉1-2cm的涂敷層和包層，露出纖芯，然后在小型離子濺射儀內鍍制50nm厚金膜，按圖2所示搭建實驗測試系統。用事先配好的不同折射率的甘油溶液（蒸餾水和甘油的混合溶液，兩溶液比例不同，所得折射率不同）進行折射率測試，表現為在計算機上的光譜在某一波長處塌陷。保存好各項測試數據，并用MATLAB仿真軟件進行數據處理，處理后所得圖像如圖3所示。

由圖3可看出，不同折射率溶液在不同的波長處有著不同的反射光強衰減，可看出隨著折射率的升高，衰減方向往長波長方向移動，這就是光纖SPR現象。

在實驗過程中，可以讓學生動手剝光纖，在顯微鏡下觀察光纖的直徑，并參與光纖的鍍膜過程和測試不同折射率溶液過程，觀察SPR現象，深刻理解SPR的具體操作流程，了解科研，參與科研，既鞏固了基礎知識，擴寬了科研見識，又推動了實驗和理論教學的同步發展。

4結束語

光纖SPR傳感技術的教學與實踐探究，意在通過理論闡述和實驗操作結合教學，使學生掌握時代技術脈搏，了解現代傳感技術，開闊眼界和知識面;使學生受到綜合運用多種知識，解決實際問題能力的訓練，提高科研能力。另外，在教學上引入科研，讓科研進課堂、進教材，增強了學生知識面的深度和廣度。

參考文獻：

[1]趙麗芬，張學超，陳文娟.“傳感器技術及其應用”課程教學改革[J/OL].無線互聯科技，2017，（15）：84-85（2017-09-04）.

[2]彭偉，劉云，張揚，荊振國，陳詩蒙.微結構光纖表面等離子激元共振傳感器的研究[J].應用科學學報，2017，35（04）：434-459.

[3]鄭永剛.前沿科研進入近代物理實驗教學模式[J].物理實驗，2017，37（05）：32-33.

[4]楊睿.《傳感器原理及應用》課程實踐教學改革與創新[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2015，33（04）：571-574.