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DE102009035578B3 - Fiber-optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices of fiber-adjacent media - Google Patents

Fiber-optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices of fiber-adjacent media Download PDF

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DE102009035578B3
DE102009035578B3 DE102009035578A DE102009035578A DE102009035578B3 DE 102009035578 B3 DE102009035578 B3 DE 102009035578B3 DE 102009035578 A DE102009035578 A DE 102009035578A DE 102009035578 A DE102009035578 A DE 102009035578A DE 102009035578 B3 DE102009035578 B3 DE 102009035578B3
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German (de)
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Tobias Schuster
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Schuster Tobias De
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Technische Universitaet Dresden
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien nach Patent 10 2008 046 320, enthaltend mindestens eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser (3), eine Lichtquelle (4) und einen Detektor (5), die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich (26) der Singlemode-Faser (3) befinden, wobei zwischen Faser (3) und Lichtquelle (4)/Detektor (5) ein Faserkoppler (24) oder Zirkulator (28) gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle (4) zugewandten Eingangsbereich (6) in die Faser (3) eintritt und die Faser (3) einen dem Eingangsbereich (6) entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich (7) aufweist, und weitere folgende Funktionselemente
- ein im Kernbereich (8) der optischen Faser (3) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (9) - LPG - zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (10) in eine ausgewählte Mantelmode (11),
- eine die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht (13), an der die ausgewählte Mantelmode (11) eine Oberflächenplasmonenwelle (14) angeregt und die zur Einkopplung der Mantelmode (11) angeordnet ist, und
wobei die verbleibende optische Leistung (Iopt) in der Ausgangs-Kernmode (15) dem Detektor (5) zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f (nA,λ) zugeführt wird,
wobei der Endbereich (7) sowohl rundum um den Fasermantel (12) mit einer ...
The invention relates to a fiber optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices of fiber-adjacent media according to patent 10 2008 046 320, comprising at least one optical waveguide used singlemode fiber (3), a light source (4) and a detector (5) are in the radiation and Ausstrahlungsbereich (26) of the single-mode fiber (3), wherein between fiber (3) and light source (4) / detector (5) a fiber coupler (24) or circulator (28) is spliced and wherein the Light at the light source (4) facing the input region (6) enters the fiber (3) and the fiber (3) has a the input portion (6) directed opposite end portion (7), and further functional elements
a long-period Bragg grating (9) - LPG inscribed in the core region (8) of the optical fiber (3) - for coupling the input core mode (10) into a selected cladding mode (11),
a thin cladding metal layer (13) surrounding the surface (25) of the cladding (12) of the fiber (3), at which the selected cladding mode (11) excites a surface plasmon wave (14) and which is arranged to couple the cladding mode (11) , and
wherein the remaining optical power (I opt ) in the output core mode (15) is supplied to the detector (5) for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ),
wherein the end region (7) both around the fiber cladding (12) with a ...

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen faserangrenzender Medien nach Patent 10 2008 046 320.The invention relates to a fiber optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices of fiber-limiting media according to patent 10 2008 046 320.

In der 1 sind in einer reflektiven Anordnung eines Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 30 eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser 3, eine Lichtquelle 4 und ein Detektor 5, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich 26 der Singlemode-Faser 3 befinden, wobei zwischen Faser 3 und Lichtquelle 4/Detektor 5 ein Faserkoppler 24 oder Zirkulator 28 gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle 4 zugewandten Eingangsbereich 6 in die Faser 3 eintritt und die Faser 3 einen dem Eingangsbereich 6 entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich 7 aufweist, sowie weitere folgende Funktionselemente vorgesehen:

  • – ein im Kernbereich 8 der Faser 3 eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter 9 – LPG – zur Kopplung einer Eingangs-Kernmode 10 in eine ausgewählte Mantelmode 11,
  • – ein kurzperiodisches Faser-Bragg-Gitter 27 – FBG – zur Reflexion der ausgangsseitigen Mantelmode,
  • – eine den Mantel 12 der Singlemode-Faser 3 rundum umgebende dünne Metallschicht 13, an der die ausgewählte Mantelmode 11 eine Oberflächenplasmonenwelle 14 anregt und die zwischen dem langperiodischen Bragg-Gitter 9 und dem kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitter 27 angeordnet ist, wobei das dem ersten langperiodischen Bragg-Gitter 9 zugeordnete kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter 27 die Oberflächenplasmonenwellen 14 anregende Mantelmode 11 in ihrer Strahlrichtung umkehrt und die reflektierte Mantelmode 18 über das langperiodische Gitter 9 in die Ausgangs-Kernmode 15 rückkoppelt, und
  • – wobei die verbleibende optische Leistung Iopt in der Ausgangs-Kernmode 15 dem Detektor 5 zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f(nA, λ) zugeführt wird,
In the 1 are in a reflective arrangement of a surface plasmon resonance sensor 30 a singlemode fiber used as an optical waveguide 3 , a light source 4 and a detector 5 located in the irradiation and radiation area 26 the singlemode fiber 3 being between fiber 3 and light source 4 /Detector 5 a fiber coupler 24 or circulator 28 is spliced and wherein the light is at the light source 4 facing entrance area 6 in the fiber 3 enters and the fiber 3 one in the entrance area 6 oppositely directed end region 7 and further functional elements as follows:
  • - one in the core area 8th the fiber 3 inscribed long period Bragg grating 9 - LPG - for coupling an input core mode 10 in a selected coat mode 11 .
  • A short-period fiber Bragg grating 27 - FBG - for reflection of the output-side cladding mode,
  • - one the coat 12 the singlemode fiber 3 surrounding thin metal layer 13 at which the selected coat mode 11 a surface plasma wave 14 excites and that between the long period Bragg grating 9 and the short period fiber Bragg grating 27 is arranged, wherein the first long-period Bragg grating 9 associated short-period fiber Bragg gratings 27 the surface plasma waves 14 stimulating coat mode 11 reversed in their beam direction and the reflected cladding mode 18 over the long period grid 9 in the output core mode 15 returns, and
  • - Where the remaining optical power I opt in the output core mode 15 the detector 5 for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ) is supplied,

Die Perioden des kurzperiodischen Faser-Bragg-Gitters 27 sind im Bereich von 100 nm bis 1 μm und die Perioden A des langperiodischen Bragg-Gitters 9 sind im Bereich von 10 μm bis 100 μm vorgegeben.The periods of the short-period fiber Bragg grating 27 are in the range of 100 nm to 1 μm and the periods A of the long-period Bragg grating 9 are specified in the range of 10 .mu.m to 100 .mu.m.

Die den Mantel 12 der Singlemode-Faser 3 rundum umgebende dünne Metallschicht 13 kann aus Metallen wie Gold, Silber, Palladium, Kupfer oder Aluminium bestehen.The coat 12 the singlemode fiber 3 surrounding thin metal layer 13 may consist of metals such as gold, silver, palladium, copper or aluminum.

Die Lichtquelle 4 regt die Eingangs-Kernmode 10 an, die durch das langperiodische Bragg-Gitter 9 in die anregende Mantelmode 11 gekoppelt wird, wobei die erforderliche Periode A des langperiodischen Bragg-Gitters 9 sich aus der Differenz der effektiven Brechzahl nLP01 der Eingangs-Kernmode 10 und der effektiven Brechzahl nLP0m der anregenden Mantelmode 11 sowie der Arbeitswellenlänge λ ergibt.The light source 4 excites the input core mode 10 on, passing through the long-period Bragg grating 9 in the stimulating coat mode 11 where the required period A of the long period Bragg grating 9 is the difference between the effective refractive index n LP01 of the input core mode 10 and the effective refractive index n LP0m of the exciting cladding mode 11 and the working wavelength λ.

Der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 30 nach Patent 10 2008 046 320 enthält eine monochromatische Lichtquelle 4, die ein derartig begrenztes Spektrum aufweist, dass die gesamte optische Leistung zwischen Eingangs-Kernmode 10 oder Ausgangs-Kernmode 15 und anregender Mantelmode 11, 18 von dem langperiodischen Bragg-Gitter 9 gekoppelt wird und das kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter 27 die gesamte optische Leistung der Eingangs-Kernmode 10 oder der anregenden Mantelmode 11 reflektieren.The surface plasmon resonance sensor 30 according to patent 10 2008 046 320 contains a monochromatic light source 4 having such a limited spectrum that the total optical power between input core mode 10 or output core mode 15 and exciting coat fashion 11 . 18 from the long period Bragg grating 9 is coupled and the short-period fiber Bragg grating 27 the total optical power of the input core mode 10 or the stimulating coat mode 11 reflect.

Die Lichtquelle 4 kann eine Laserdiode und der Detektor 5 kann eine Photodiode sein.The light source 4 can be a laser diode and the detector 5 can be a photodiode.

An der Grenzfläche der dünnen Metallschicht 13 zum angrenzenden Medium 2 werden Oberflächenplasmonenwellen 14 angeregt, wobei der Betrag der Leistung, die der anregenden Mantelmode 11 entzogen wird, von der Arbeitswellenlänge λ der Lichtquelle 4, der effektiven Brechzahl nLP0m der anregenden Mantelmode 11 und der Brechzahl nA des angrenzenden Mediums 2 sowie von der komplexen Permittivität εM des Metalls 13 bestimmt wird.At the interface of the thin metal layer 13 to the adjacent medium 2 become surface plasma waves 14 stimulated, with the amount of power, the stimulating sheath mode 11 is removed from the working wavelength λ of the light source 4 , the effective refractive index n LP0m of the exciting cladding mode 11 and the refractive index n A of the adjacent medium 2 as well as the complex permittivity ε M of the metal 13 is determined.

Auf der dünnen Metallschicht 13 kann eine intermediale Schicht 19 aufgebracht sein.On the thin metal layer 13 can be an intermedial layer 19 be upset.

Die dünne intermediale Schicht 19 kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich nA des angrenzenden Mediums 2 aufweisen.The thin intermediate layer 19 can have a high refractive index to match the low refractive index region n A of the adjacent medium 2 exhibit.

Das als Reflektor dienende kurzperiodische Faser-Bragg-Gitter 27 ist für die effektive Brechzahl nLP0m der die Oberflächenplasmonenwelle 14 anregenden Mantelmode 11 ausgelegt.The serving as a reflector short-period fiber Bragg gratings 27 is the surface plasmon wave for the effective refractive index n LP0m 14 stimulating coat mode 11 designed.

Das Problem der reflektiven Anordnung der eingesetzten Bragg-Gitter 9, 27 innerhalb des Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 30 besteht darin, dass ein hoher Aufwand zur Ausbildung der Faser-Bragg-Gitter-Anordnungen 9, 27 innerhalb der optischen Faser 3 vorhanden ist.The problem of the reflective arrangement of the Bragg gratings used 9 . 27 within the surface plasmon resonance sensor 30 is that a lot of effort to form the fiber Bragg grating arrangements 9 . 27 within the optical fiber 3 is available.

Moderne Biosensoren erfordern nicht nur einen hohe Empfindlichkeit und Selektivität, sondern auch geringe Kosten. Glasfasern, die in der Telekommunikation eingesetzt werden, sind für solche Aufgaben wegen ihrer kleinen Größe, der chemischen und biologischen Kompatibilität und ihrer elektromagnetischen Toleranz geeignet. Modern biosensors not only require high sensitivity and selectivity, but also low costs. Glass fibers used in telecommunications are suitable for such tasks because of their small size, chemical and biological compatibility and their electromagnetic tolerance.

Die Bewertung der Oberflächenplasmonenwellen stellt ein bereits eingesetztes Verfahren für die selektive Detektion von kleinen Konzentrationen von biochemischen Agenzien dar, wie in der Druckschrift Homola et al.: Surface plasmon resonance sensors: review, Sensors and Actuators, B54, 1999, S. 3–15 beschrieben ist.The evaluation of surface plasmone waves represents an already used method for the selective detection of small concentrations of biochemical agents, as in the publication Homola et al .: Surface plasmon resonance sensors: review, Sensors and Actuators, B54, 1999, pp. 3-15 is described.

Ein Problem besteht darin, dass das evaneszente Feld des Lichtes, das im Fasermantel geführt wird, potenziell nicht fähig ist, Oberflächenplasmonenwellen an einer dünnen Metallschicht anzuregen, da die optische Leistung sich normalerweise innerhalb des Faserkerns ausbreitet. Wird die Faserummantelung vor der Metallisierung beseitigt, entstehen offensichtlich Stabilitätsprobleme.One problem is that the evanescent field of light guided in the fiber cladding is potentially unable to excite surface plasma waves on a thin metal layer, since the optical power normally propagates within the fiber core. If the fiber cladding is removed before metallization, obviously stability problems arise.

Multimode-Fasern mit einem Kerndurchmesser von über 1000 μm werden benutzt, um die mechanische Stabilität aufrechtzuerhalten, wie in der Druckschrift Obando et al.: Manufacture of robust surface plasmon resonance fiber optic based dip-grobes, Sensors and Actuators, B100, 2004, S. 439–449 beschrieben ist. Nichtsdestoweniger, die erforderliche Empfindlichkeit des Sensors ist nur erreichbar durch die Anregung mit einer Singlemode-Faser. Der Kerndurchmesser der genutzten Singlemode-Fasern ist zwar geringer als 10 μm und versagt, um die Sensorstabilitäts-Anforderungen für das Feld zu erfüllen, wie in der Druckschrift Chiu et al.: Optimum sensitivity of single-mode D-type optical fiber sensor in the intensity measurement, Sensors and Actuators, B123, 2007, S. 1120–1124 beschrieben ist.Multimode fibers with a core diameter greater than 1000 μm are used to maintain mechanical stability, as described in the Obando et al.: Manufacture of Robust Surface Plasmon Resonance on Optic Based Dip-Coarse, Sensors and Actuators, B100, 2004, p 439-449. Nevertheless, the required sensitivity of the sensor is only achievable by excitation with a singlemode fiber. While the core diameter of the singlemode fibers used is less than 10 microns and fails to meet the sensor stability requirements for the field, as described in the Chiu et al .: Optimum sensitivity of single-mode D-type optical fiber sensor in the intensity measurement, Sensors and Actuators, B123, 2007, pp. 1120-1124.

Andererseits ist das langperiodische Bragg-Gitter zum bidirektionalen Koppeln mit der ausgewählten Mantelmode fähig, wie in der Druckschrift Othonos et al.: Fiber Bragg Gratings, Artech House Inc., 1999, S. 142–143 beschrieben ist.On the other hand, the long period Bragg grating is capable of bidirectional coupling with the selected cladding mode, as described in Othonos et al .: Fiber Bragg Gratings, Artech House Inc., 1999, pp. 142-143.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen nA faserangrenzender Medien anzugeben, der derart geeignet ausgebildet ist, dass der Aufwand zu seiner Herstellung wesentlich verringert wird. Außerdem soll trotz der Stabilitätsprobleme eine Möglichkeit gefunden werden, im Bereich zwischen der Faser und dem mit ihr im Kontakt stehenden Medium eine Verbesserung der Stabilität herbeizuführen.The invention is therefore based on the object of specifying a fiber optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices n A of fiber-adjacent media, which is designed so that the expense for its production is substantially reduced. In addition, despite the stability problems, a way should be found to bring about an improvement in stability in the region between the fiber and the medium in contact with it.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Der faseroptische Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen nA faserangrenzender Medien
enthält gemäß Patent 10 2008 046 3205
mindestens eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser, eine Lichtquelle und einen Detektor, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich der Singlemode-Faser befinden, wobei zwischen Faser und Lichtquelle/Detektor ein Faserkoppler oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle zugewandten Eingangsbereich in die Faser eintritt und die Faser einen dem Eingangsbereich entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich aufweist,
sowie weitere folgende Funktionseinheiten:

  • – ein im Kernbereich der optischer Faser eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter zur Kopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode,
  • – eine den Mantel der Faser rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode und zur Auskopplung der den Bereich der Mantelmetallschicht verlassenden Mantelmode angeordnet ist,
wobei die verbleibende optische Leistung Iopt in der Ausgangs-Kernmode dem Detektor zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f(nA, λ) zugeführt wird,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
der Endbereich sowohl rundum um den Fasermantel mit einer Mantelmetallschicht als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht belegt ist,
wobei von der Metalldünnschicht aus für die eingekoppelte Mantelmode und im Endbereich verlaufende Mantelmode ein reflektiver Strahlengang mit einer im Endbereich reflektierten Mantelmode und einer den Endbereich verlassenden Mantelmode erzeugt wird und
wobei dasselbe langperiodische Bragg-Gitter im reflektiven Strahlengang zur Kopplung der den Endbereich verlassenden Mantelmode in eine Ausgangs-Kernmode dient, die vom Detektor registriert wird.The object is solved by the features of claims 1 and 11. The fiber optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices n A of fiber-adjacent media
contains according to patent 10 2008 046 3205
at least one used as an optical waveguide singlemode fiber, a light source and a detector, which are located in the irradiation and Ausstrahlungsbereich the singlemode fiber, wherein between fiber and light source / detector, a fiber coupler or circulator spliced and wherein the light at the Light source facing entrance area enters the fiber and the fiber has a the input area oppositely directed end region,
as well as further following functional units:
  • A long-period Bragg grating inscribed in the core region of the optical fiber for coupling the input core mode into a selected cladding mode,
  • A thin cladding metal layer surrounding the cladding of the fiber around which the selected cladding mode excites a surface plasmon wave and which is arranged to couple the cladding mode and to decouple the cladding mode leaving the cladding metal layer region,
wherein the remaining optical power I opt in the output core mode is supplied to the detector for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ),
wherein according to the characterizing part of patent claim 1
the end area is coated all around the fiber cladding with a cladding metal layer as well as at the ends with a metal thin layer,
wherein a reflective beam path with a cladding mode reflected in the end region and a cladding mode leaving the end region is produced from the metal thin layer for the coupled cladding mode and in the end cladding region, and
the same long period Bragg grating serving in the reflective beam path for coupling the cladding mode leaving the end cladding to an output core mode registered by the detector.

Die im Endbereich die Oberfläche des Fasermantels rundum umgebende Mantelmetallschicht und die stirnendseitig angebrachte Metalldünnschicht können eine verbindende Einheitsmetallschicht darstellen. The cladding metal layer surrounding the surface of the fiber cladding in the end region and the metal thin layer attached to the end face may constitute a connecting unit metal layer.

Eine intermediale Schicht kann auf der die Faser rundum umgebenden Mantelmetallschicht aufgebracht sein.An intermediate layer may be applied to the cladding metal layer surrounding the fiber.

Die Metallisierung der endseitigen Stirnfläche des Endbereiches und des Fasermantels des Endbereiches kann in einem Prozessschritt erfolgen.The metallization of the end-side end face of the end region and the fiber cladding of the end region can take place in one process step.

Die stirnseitige Metalldünnschicht kann eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweisen.The end-face metal thin layer may have a layer thickness of at least 50 nm.

Die den Fasermantel rundum umgebende Mantelmetallschicht kann eine Länge parallel zur Faserachse aufweisen, die mindestens im einstelligen Millimeterbereich liegt.The cladding metal layer surrounding the fiber cladding may have a length parallel to the fiber axis which is at least in the single-digit millimeter range.

Das langperiodische Bragg-Gitter weist eine Periode A auf, die mechanisch abstimmbar ist.The long period Bragg grating has a period A which is mechanically tunable.

Als Lichtquelle kann eine Laserdiode und als Detektor kann eine Photodiode vorgesehen sein.The light source may be a laser diode and a photodiode may be provided as the detector.

Die dünne intermediale Schicht kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich nA des faserangrenzenden Mediums aufweisen.The thin intermediate layer may have a high refractive index to match the low refractive index region n A of the fiber-adjacent medium.

Die intermediale Schicht kann mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen aufweisen, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen umgebenden biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl nA des faserangrenzenden Mediums zur Messung und Auswertung herbeiführt.The intermediate layer may comprise at least one biofunctional layer for examining biotechnological processes, wherein the biofunctional layer selectively binds a surrounding biochemical substance per se and thus brings about a change in the refractive index n A of the fiber-limiting medium for measurement and evaluation.

Die Vorteile dieses Sensors bestehen darin:
Die Erfindung kann einen neuen faseroptischen Biosensor darstellen, der für die Ausmessung von miniaturisierten Systemen vorgesehen ist.
The advantages of this sensor are:
The invention may represent a novel fiber optic biosensor designed for miniaturized systems.

Der Sensor enthält ein langperiodisches Faser-Bragg-Gitter (LPG) im Kernbereich einer Singlemode-Faser zur Anregung von Oberflächenpläsmonen-Resonanz-Wellen, die empfindlich auf den molekularen Bindungsprozess auf der Sensoroberfläche reagieren.The sensor incorporates a long-period Fiber Bragg Grating (LPG) in the core region of a singlemode fiber to excite surface plasmon resonance waves that are sensitive to the molecular bonding process on the sensor surface.

Ein zweiter erfindungsgemäßer faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor zur Bestimmung von Brechzahlen nA von faserangrenzenden Medien gemäß Patent 10 2008 046 320 enthält
eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser,
eine Lichtquelle und einen Detektor, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich der Singlemode-Faser befinden,
wobei zwischen Faser und Lichtquelle/Detektor ein Faserkoppler oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle zugewandten Eingangsbereich in die Faser eintritt und die Faser einen dem Eingangsbereich entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich aufweist,
und weitere Funktionselemente

  • – ein im Kernbereich der optischen Faser eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode in eine ausgewählte Mantelmode,
  • – eine die Oberfläche des Mantels der Faser rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht, an der die ausgewählte Mantelmode eine Oberflächenplasmonenwelle anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode angeordnet ist, und
wobei die verbleibende optische Leistung Iopt in der Ausgangs-Kernmode dem Detektor zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f(nA, λ) zugeführt wird,
wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 11
die Lichtquelle mehrere Einzellichtquellen zur Einspeisung von Licht unterschiedlicher Arbeitslängenwellen λ1, λ2, λ3 in den Faserkoppler und nachfolgend in die Faser aufweist, wobei am langperiodischen Bragg-Gitter mit der Gitterperiode Λ1 aus der Eingangs-Kernmode LP011, λ2, λ3) die Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) entstehen,
wobei der Endbereich sowohl rundum um den Fasermantel mit einer Mantelmetallschicht als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht belegt ist,
wobei die Mantelmetallschicht des Endbereiches einen in Richtung zum langperiodischen Bragg-Gitter verlängerten Endbereich aufweist, zu dem auf dem Fasermantel aufgebrachte Metall-Bragg-Gitter mit jeweils einer zur Gitterperiode Λ1 des langperiodischen Bragg-Gitters unterschiedlichen Gitterperiode Λ2, Λ3 gehören,
wobei aus dem Eingangs-Kernmode LP011, λ2, λ3) bei Durchlauf des langperiodischen Bragg-Gitters die wellenlängenabhängigen Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) sowie bei Durchlauf des verlängerten Endbereichs und des Endbereiches unterschiedliche wellenlängenabhängige, reflektierte Oberflächenplasmonenwellenlängen SPR(λ1), SPR(λ2), SPR(λ3) entstehen, die als wellenlängenabhängige modifizierte Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) das langperiodische Bragg-Gitter reflektiv durchlaufen und nach Auskopplung in die Ausgangs-Kernmode durch eine Referenz-Messung mittels des Detektors einer wellenlängenabhängigen Auswertung zugeführt werden.A second inventive fiber-optic surface plasmon resonance sensor for determining refractive indices n A of fiber-limiting media according to patent 10 2008 046 320 contains
a singlemode fiber used as an optical waveguide,
a light source and a detector located in the irradiation and radiation area of the singlemode fiber,
wherein a fiber coupler or circulator is spliced between the fiber and the light source / detector and wherein the light enters the fiber at the input region facing the light source and the fiber has an end region oppositely directed to the input region,
and more functional elements
  • A long-period Bragg grating - LPG inscribed in the core region of the optical fiber - for coupling the input core mode into a selected cladding mode,
  • A thin clad metal layer surrounding the surface of the cladding of the fiber, at which the selected cladding mode excites a surface plasmon wave and which is arranged to couple the cladding mode, and
wherein the remaining optical power I opt in the output core mode is supplied to the detector for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ),
wherein according to the characterizing part of patent claim 11
the light source has a plurality of individual light sources for feeding light of different working wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 into the fiber coupler and subsequently into the fiber, the long period Bragg grating having the grating period Λ 1 from the input core mode LP 011 , λ 2 , λ 3 ), the cladding mode LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k3 ) arise,
wherein the end region is coated all around the fiber cladding with a cladding metal layer as well as at the front end with a metal thin layer,
wherein the cladding metal layer of the end region has an end region which is elongated in the direction of the long-period Bragg grating, to which metal Bragg gratings applied on the fiber cladding each having a grating period Λ 2 , Λ 3 different from the grating period Λ 1 of the long-period Bragg grating,
wherein from the input core mode LP 011 , λ 2 , λ 3 ) during passage of the long-period Bragg grating, the wavelength-dependent cladding mode LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k3 ) as well as when passing through the extended end region and the end region, different wavelength-dependent, reflected surface plasmone wavelengths SPR (λ 1 ), SPR (λ 2 ), SPR (λ 3 ) arise, which are wavelength-dependent modified cladding modes LP 0m1 ), LP0 m + i2 ), LP 0m + k3 ) through the long-period Bragg grating and, after decoupling into the output core mode, by a reference measurement by means of the detector to a wavelength-dependent evaluation.

Dem Detektor wird zur Messung und Auswertung die optischen Leistung Iopt = f(nA, λ) gemäß der funktionalen wellenlängenabhängigen Abhängigkeit zugeführt.For the purpose of measurement and evaluation, the optical power I opt = f (n A , λ) is supplied to the detector according to the functional wavelength-dependent dependence.

Zur wellenlängenabhängigen Auswertung können als Detektor ein optischer Spektralanalysator vorgesehen und/oder den Wellenlängen λ1, λ2, λ3 zugeordnete Filter vor die als Detektor vorgesehene Photodiode geschaltet sein.For the wavelength-dependent evaluation, an optical spectral analyzer can be provided as the detector and / or filters associated with the wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 can be connected in front of the photodiode provided as the detector.

Eine Referenzierung der SPR-Signale kann somit auf ein und derselben Faser erfolgen.Referencing of the SPR signals can thus take place on one and the same fiber.

Das faserangrenzende Medium kann aus einer einzelnen Komponente oder aus mehreren Komponenten biologischen oder chemischen Materials bestehen.The fiber-adjacent medium may consist of a single component or of several components of biological or chemical material.

Eine partielle laterale Strukturierung des Schichtaufbaus der den Fasermantel rundum umgebenden Mantelmetallschicht einschließlich der Metall-Bragg-Gitter – MBG – mit unterschiedlichen Perioden Λ2, Λ3 mit einer Länge von etwa 10 μm–300 μm und dessen selektiver Beschichtung mit biologischen Sondenmolekülen als intermediale Schicht sind ausgebildet.Partial lateral structuring of the layer structure of the cladding metal layer surrounding the cladding including the metal Bragg gratings - MBG - with different periods Λ 2 , Λ 3 with a length of about 10 μm-300 μm and its selective coating with biological probe molecules as an intermediate layer are trained.

Die Arbeitswellenlängen λ2, λ3 können nur an dem entsprechenden Metall-Bragg-Gitter jeweils eine Oberflächenplasmonenwelle SPR(λ2), SPR(λ3) auslösen.The operating wavelengths λ 2 , λ 3 can trigger a surface plasmon wave SPR (λ 2 ), SPR (λ 3 ) only at the corresponding metal Bragg grating.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.Further developments and advantageous embodiments of the invention are specified in further subclaims.

Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
The invention will be explained in more detail with reference to drawings, in which:
Show it:

1 eine schematische Darstellung eines faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors nach Patent 10 2008 046 320, 1 a schematic representation of a fiber optic surface plasmon resonance sensor according to patent 10 2008 046 320,

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ersten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors und 2 a schematic representation of a first optical fiber surface plasmon resonance sensor according to the invention and

3 eine effektive Brechungsindex (neff)-Arbeitswellenlängen (λ)-Kurve für eine Goldmantelmetallschicht und Goldmetalldünnschicht (je 50 nm) auf einer SiO2-Faser nach 2, wobei
3a die effektive Brechzahl neff der Oberflächenplasmonwelle mit und ohne zusätzlicher Ta2O5-Beschichtung und LPG-Parameter an verschiedenen Arbeitswellenlängen λ und
3b die Reflektivität der Substrat-Metall Grenzfläche an unterschiedlichen Arbeitswellenlängen λ in Abhängigkeit der Brechzahl nA eines faserangrenzenden Mediums
zeigen, und
3 an effective refractive index (n eff ) working wavelength (λ) curve for a gold clad metal layer and gold metal thin layer (50 nm each) on an SiO 2 fiber 2 , in which
3a the effective refractive index n eff of the surface plasmon wave with and without additional Ta 2 O 5 coating and LPG parameters at different operating wavelengths λ and
3b the reflectivity of the substrate-metal interface at different operating wavelengths λ as a function of the refractive index n A of a fiber-adjacent medium
show, and

4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen zweiten faseroptischen Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensors 40 zum ortsaufgelösten, gleichzeitigen Nachweis verschiedener faserangrenzender Medien 2 – Analyten –. 4 a schematic representation of a second optical fiber surface plasmon resonance sensor according to the invention 40 for spatially resolved, simultaneous detection of various fiber-adjacent media 2 - Analytes -.

In 2 ist ein erster faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 1 zur Bestimmung von Brechzahlen nA eines umgebenden Mediums 2 gemäß Patent 10 2008 046 320 dargestellt, der
enthält
eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser 3,
eine Lichtquelle 4 und einen Detektor 5, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich 26 der Singlemode-Faser 3 befinden,
wobei zwischen Faser 3 und Lichtquelle 4/Detektor 5 ein Faserkoppler 24 oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle 4 zugewandten Eingangsbereich 6 in die Faser 3 eintritt und die Faser 3 einen dem Eingangsbereich 6 entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich 7 aufweist, und
weitere folgende Funktionselemente

  • ein im Kernbereich 8 der optischen Faser 3 eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter 9 – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode 10 in eine ausgewählte Mantelmode 11,
  • – eine die Oberfläche 25 des Mantels 12 der Faser 3 rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht 13, an der die ausgewählte Mantelmode 11 eine Oberflächenplasmonenwelle 14 anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode 11 angeordnet ist,
wobei die verbleibende optische Leistung logt in der Ausgangs-Kernmode 15 dem Detektor 5 zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iogt = f(nA, λ) zugeführt wird.In 2 is a first fiber optic surface plasmon resonance sensor 1 for determining refractive indices n A of a surrounding medium 2 according to patent 10 2008 046 320, the
contains
a singlemode fiber used as an optical waveguide 3 .
a light source 4 and a detector 5 located in the irradiation and radiation area 26 the singlemode fiber 3 are located,
being between fiber 3 and light source 4 /Detector 5 a fiber coupler 24 or circulator is spliced and wherein the light is at the light source 4 facing entrance area 6 in the fiber 3 enters and the fiber 3 one in the entrance area 6 oppositely directed end region 7 has, and
Further following functional elements
  • - one in the core area 8th the optical fiber 3 inscribed long period Bragg grating 9 - LPG - for coupling the input core mode 10 in a selected coat mode 11 .
  • - one the surface 25 of the coat 12 the fiber 3 all around surrounding thin cladding metal layer 13 at which the selected coat mode 11 a surface plasma wave 14 excites and the coupling of the cladding mode 11 is arranged
wherein the remaining optical power is in the output core mode 15 the detector 5 for measurement and evaluation according to a functional dependence I ogt = f (n A , λ) is supplied.

Erfindungsgemäß ist der Endbereich 7 sowohl rundum um den Fasermantel 12 mit einer Mantelmetallschicht 13 als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht 17 belegt,
wobei von der Metalldünnschicht 17 aus für die eingekoppelte Mantelmode 11 und im Endbereich 7 verlaufende Mantelmode 14 ein reflektiver Strahlengang mit einer im Endbereich 7 reflektierten Mantelmode 18 und einer den Endbereich 7 verlassenden Mantelmode 23 erzeugt wird und
wobei dasselbe langperiodische Bragg-Gitter 9 im reflektiven Strahlengang zur Kopplung der den Endbereich 7 verlassenden Mantelmode 23 in eine Ausgangs-Kernmode 15 dient, die vom Detektor 5 registriert wird.
According to the invention, the end region 7 both around the fiber coat 12 with a cladding metal layer 13 as well as end face with a metal thin film 17 busy,
being from the metal thin film 17 off for the coupled jacket mode 11 and in the end area 7 running coat mode 14 a reflective beam path with one in the end 7 reflected cladding mode 18 and one the end area 7 leaving coat mode 23 is generated and
the same long-period Bragg grating 9 in the reflective beam path for coupling the end region 7 leaving coat mode 23 in an output core mode 15 serves that from the detector 5 is registered.

Die im Endbereich 7 die Oberfläche 25 des Mantels 12 der Faser 3 rundum umgebende Mantelmetallschicht 13 und die an der endseitigen Stirnfläche 20 angebrachte Metalldünnschicht 17 können eine verbindende Einheitsmetallschicht 21 darstellen.The in the end area 7 the surface 25 of the coat 12 the fiber 3 all around surrounding cladding metal layer 13 and at the end-side end face 20 attached metal thin film 17 may be a unitary bonding metal layer 21 represent.

Eine intermediale Schicht 19 kann auf der die Faser 3 rundum umgebenden Mantelmetallschicht 13 aufgebracht sein.An intermedial layer 19 Can on the the fiber 3 all around surrounding cladding metal layer 13 be upset.

Die Metallisierung der endseitigen Stirnfläche 20 und des Fasermantels 12 des Endbereiches 7 kann in einem Prozessschritt erfolgen.The metallization of the end-side end face 20 and the fiber coat 12 of the end area 7 can be done in one process step.

Die stirnseitige Metalldünnschicht 17 kann wie die Mantelmetallschicht 13 eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweisen.The front metal thin film 17 can be like the cladding metal layer 13 have a layer thickness of at least 50 nm.

Die den Fasermantel 12 rundum umgebende Mantelmetallschicht 13 kann eine Länge parallel zur Faserachse 16 aufweisen, die im einstelligen Millimeterbereich liegt.The the fiber coat 12 all around surrounding cladding metal layer 13 can be a length parallel to the fiber axis 16 which lies in the single-digit millimeter range.

Es kann ein langperiodisches Bragg-Gitter 9 vorgesehen sein, dessen Periode A mechanisch abstimmbar ist.It can be a long period Bragg grating 9 be provided, whose period A is mechanically tuned.

Die Lichtquelle 4 kann eine Laserdiode und der Detektor 5 kann eine Photodiode sein.The light source 4 can be a laser diode and the detector 5 can be a photodiode.

Die dünne intermediale Schichten 19 kann eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Bereich der Brechzahl nA des faserangrenzenden Mediums 2 aufweisen.The thin intermedial layers 19 can have a high refractive index to match the low range of refractive index n A of the fiber-limiting medium 2 exhibit.

Die intermediale Schicht 19 kann mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen aufweisen, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen umgebenden biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl nA, des faserangrenzenden Mediums 2 zur Messung und Auswertung herbeiführt.The intermedial layer 19 can comprise at least one biofunctional layer for the investigation of biotechnological processes, wherein the biofunctional layer selectively binds to a surrounding biochemical substance and thus a change in the refractive index n A , the Faserangrenzenden medium 2 for measurement and evaluation brought about.

In 2 ist beispielhaft der Sensor 1 in einem mit dem flüssigen Medium 2 gefüllten Behälter 22 eingeführt, um die ermittelte Brechzahl nA das flüssige Medium 2 zu bestimmen. Aber auch gasförmige Medien können mit dem Sensor 1 ermittelt werden, dann aber z. B. in einem verschließbaren Behälter.In 2 is an example of the sensor 1 in one with the liquid medium 2 filled containers 22 introduced to the determined refractive index n A the liquid medium 2 to determine. But even gaseous media can with the sensor 1 be determined, but then z. B. in a closable container.

Um einen empfindlichen Sensor 1 mit einer ausreichenden mechanischen Stabilität herzustellen, bleibt in 2 die Ummantelung auf dem Fasermantel 12. Einige Millimeter des Fasermantels 12 des Endbereiches 7 der Singlemode-Faser 3 und die endseitige Stirnfläche 20 sind deshalb mit der Metallschicht 13 17, vorzugsweise mit Gold oder Silber, belegt.To a sensitive sensor 1 with sufficient mechanical stability remains in 2 the sheathing on the fiber sheath 12 , A few millimeters of the fiber jacket 12 of the end area 7 the singlemode fiber 3 and the end face 20 are therefore with the metal layer 13 17 , preferably with gold or silver, occupied.

Der indirekte Messgeber ist die verbleibende optische Leistung Iopt, die durch das metallisierte Faserende 20 reflektiert und an einer einzelnen Wellenlänge λ ausgewertet wird. The indirect encoder is the remaining optical power I opt that passes through the metallized fiber end 20 reflected and evaluated at a single wavelength λ.

Eine einfache Laserdiode 4 und eine Fotodiode 5 sind deshalb durch den Faserschmelzkoppler 24 im Eingangsbereich 6 mit der Faser 3 verbunden.A simple laser diode 4 and a photodiode 5 are therefore through the fiber fusion coupler 24 in the entrance area 6 with the fiber 3 connected.

Die optische Leistung Iopt wird durch die verlustlose Kernmode LP01 übertragen.The optical power I opt is transmitted through the lossless core mode LP 01 .

Der Endbereich 7 des Fasermantels 12 der zylindrischen Singlemode-Glasfaser 3 kann somit mit einem Mehrlagensystem dünner Schichten (jede < 100 nm) versehen sein. In diesem ca. 2 Millimeter langen Endbereich 7 wird durch eine einzelne Mantelmode LP0m eine verlustbehaftete Oberflächenplasmonenwelle angeregt. Das Mehrlagensystem kann sich im einfachsten Fall aus einer Metallschicht 13, vorzugsweise aus Gold oder Silber, einer dielektrischen Schicht zur Anpassung des Brechungsindexes an die flüssige Umgebung (faserangrenzendes Medium 2) und einer intermedialen, funktionellen Schicht 19 biomolekularer Sonden zum selektiven Nachweis eines biochemischen Analyten zusammensetzen. Die nach der Resonanz verbleibende optische Leistung Iopt, welche an der metallisierten endseitigen Stirnfläche 20 reflektiert wird, dient als mittelbare Messgröße des Sensors 1. Die Auswertung erfolgt durch eine Reflexionsmessung mittels der Laserdiode 4 und der Photodiode 5, die über einen Faserschmelzkoppler 24 mit dem Eingangsbereich 6 der Faser 3 verspleißt verbunden sind. Die optische Leistung Iopt wird dabei in der Kernmode LP01 verlustfrei zum dargestellten Eingangsbereich 6 übertragen. Das langperiodische Bragg-Gitter 9 ermöglicht dort die bidirektionale Kopplung zwischen der Kernmode LP01 und einer ausgewählten Mantelmode LP0m.The end area 7 of the fiber jacket 12 the cylindrical singlemode glass fiber 3 can thus be provided with a multi-layer system of thin layers (each <100 nm). In this approx. 2 millimeter long end area 7 is excited by a single cladding mode LP 0m a lossy surface plasmon wave. The multilayer system can in the simplest case of a metal layer 13 , preferably of gold or silver, of a dielectric layer for adapting the refractive index to the liquid environment (fiber-adjacent medium 2 ) and an intermedial functional layer 19 biomolecular probes for the selective detection of a biochemical analyte. The remaining after the resonance optical power I opt , which at the metallized end-side end face 20 is reflected, serves as an indirect measure of the sensor 1 , The evaluation is carried out by a reflection measurement by means of the laser diode 4 and the photodiode 5 passing through a fiber fusion coupler 24 with the entrance area 6 the fiber 3 spliced are connected. The optical power I opt is lossless in the core mode LP 01 to the illustrated input range 6 transfer. The long-period Bragg grating 9 there allows the bidirectional coupling between the core mode LP 01 and a selected cladding mode LP 0m .

Die in 3a dargestellten Simulationen des effektiven Brechungsindexes neff der Oberflächenplasmonenwellen 14 zeigen, dass die Anregung in einem breiten Spektralbereich möglich ist. Die beispielhafte Arbeitswellenlänge auf dem Oberflächenplasmonenwellen-Grafen zeigt die Ordnung der Anregung der Mantelmode ebenso wie die notwendige LPG-Periode A und der Länge L. Die Reflektivität der Faser-Metall-Grenzfläche in 3b zeigt die Empfindlichkeit bezüglich des faserangrenzenden Brechungsindexes nA (d. h. durch den molekularen Bindungsprozess nahe der Metalloberfläche) im nahen Infrarot-Spektralbereich am höchsten.In the 3a illustrated simulations of the effective refractive index n eff of the surface plasma waves 14 show that the excitation in a wide spectral range is possible. The exemplary working wavelength on the surface plasma wave graph shows the order of excitation of the cladding mode as well as the necessary LPG period A and length L. The reflectivity of the fiber-metal interface in FIG 3b shows highest sensitivity to the fiber-contiguous refractive index n A (ie, by the molecular bonding process near the metal surface) in the near infrared spectral region.

Die dargestellten Simulationsergebnisse betreffen die Arbeitswellenlänge und deren Einfluss auf die Sensorempfindlichkeit und auf die LPG-Parameter.The simulation results presented concern the working wavelength and its influence on the sensor sensitivity and on the LPG parameters.

Der erfindungsgemäße Sensor 1 hat vielfältige Vorteile gegenüber existierenden Sensoren:

  • – Durch die Anregung der Oberflächenplasmonen-Resonanz mit einer einzelnen Fasermode kann eine hohe Empfindlichkeit erreicht werden.
  • – Durch die zylindrische Faserform arbeitet der Sensor 1 unabhängig von der Polarisation des in der Faser 3 geführten Lichts und gewährleistet so eine hohe Effizienz und Störresistenz.
  • – Da die übertragene optische Leistung bei einer diskreten Arbeitswellenlänge ausgewertet werden kann, wird eine teuere und raumgreifende Auswertung durch ein Spektrometer vermieden.
  • – Die reflektive Anordnung kann einen einfachen Messaufbau bewerkstelligen. Der Sensor 1 kann so direkt in das zu untersuchende faserangrenzende Medium 2 eingeführt werden, wodurch der Einsatz von mikrofluidischen Komponenten vollständig eliminiert werden kann.
  • – Es wird ein Betrieb im infraroten Spektralbereich bei 1550 nm durchgeführt. Dadurch kann nicht nur eine hohe Empfindlichkeit, sondern auch die Kompatibilität zu robusten optischen Komponenten aus der Nachrichtentechnik erreicht werden.
The sensor according to the invention 1 has many advantages over existing sensors:
  • By exciting surface plasmon resonance with a single fiber mode, high sensitivity can be achieved.
  • - Due to the cylindrical fiber shape of the sensor works 1 regardless of the polarization of the fiber 3 guided light and thus ensures high efficiency and interference resistance.
  • - Since the transmitted optical power can be evaluated at a discrete operating wavelength, an expensive and expansive evaluation by a spectrometer is avoided.
  • - The reflective arrangement can accomplish a simple measurement setup. The sensor 1 can thus directly into the fiber-adjacent medium to be examined 2 introduced, whereby the use of microfluidic components can be completely eliminated.
  • - It is operated in the infrared spectral range at 1550 nm. As a result, not only a high sensitivity, but also the compatibility with robust optical components from telecommunications can be achieved.

Um die Abhängigkeit des erfindungsgemäßen Sensors 1 von der Wellenlänge λ und der Brechzahl nA des faserangrenzenden Mediums 2 sowie die notwendigen Parameter des langperiodischen Bragg-Gitters 9 abschätzen zu können, wurde eine Modellierung vorgenommen. Vereinfachend wurde dabei davon ausgegangen, dass sich die Oberflächenplasmonenwelle unabhängig von der Mantelmode auf einer ebenen Metallschicht ausbreitet. Unter diesen Bedingungen kann die Ausbreitungskonstante der Oberflächenplasmonenwelle nach Gleichung (I) mit

Figure 00150001
berechnet werden. Wird von einer umgebenden Brechzahl nA, von 1,37 ausgegangen, so ergibt sich der in 3a dargestellte Verlauf der effektiven Brechzahl neff über der Wellenlänge λ. Die komplexe Permittivität der Goldschicht 13, 17 kann der Literatur entnommen werden.To the dependence of the sensor according to the invention 1 of the wavelength λ and the refractive index n A of the fiber-limiting medium 2 as well as the necessary parameters of the long-period Bragg grating 9 to be able to estimate, a modeling was done. For simplicity, it was assumed that the surface plasma wave propagates on a flat metal layer, independently of the cladding mode. Under these conditions, the propagation constant of the surface plasmon wave according to equation (I) with
Figure 00150001
be calculated. Assuming a surrounding refractive index n A , of 1.37, then the results in 3a illustrated course of the effective refractive index n eff over the wavelength λ. The complex permittivity of the gold layer 13 . 17 can be taken from the literature.

In 3a wird die effektive Brechzahl der Oberflächenplasmonwelle mit zusätzlicher und ohne zusätzliche Ta2O5-Beschichtung und LPG-Parameter an verschiedenen Arbeitswellenlängen λ dargestellt. Die 3b zeigt die Reflektivität der Substrat-Metall-Grenzfläche an unterschiedlichen Arbeitswellenlängen λ in Abhängigkeit der Brechzahl nA des faserangrenzenden Mediums 2. In 3a the effective refractive index of the surface plasmon wave is shown with additional and without additional Ta 2 O 5 coating and LPG parameters at different operating wavelengths λ. The 3b shows the reflectivity of the substrate-metal interface at different operating wavelengths λ as a function of the refractive index n A of the fiber-limiting medium 2 ,

Es konnte gezeigt werden, dass eine Oberflächenplasmonenwelle in einem breiten Spektralbereich durch eine zylindersymmetrische Mantelmode angeregt werden kann. An vier beispielhaften Arbeitswellenlängen λ sind die Periode A nach Gleichung (II) mit ΛLPG = λBragg/nLP01 – nLP0m (II) sowie die radiale Ordnung der Mantelmode und die Länge L des notwendigen langperiodischen Bragg-Gitters 9 aufgeführt. Die Berechnung dieser Parameter erfolgte unter der stark vereinfachten Annahme einer Glasfaser 3 ohne Metallbeschichtung. Es wurden technischen Daten kommerziell erhältlicher Singlemodefasern sowie die Programme IFO-GRATINGS und FIBER-CAD verwendet. Für eine korrekte Modellierung des Sensorsystems wird es zweckmäßig, die metallisierte Wellenleiterstruktur mathematisch zu beschreiben.It has been shown that a surface plasmon wave in a broad spectral range can be excited by a cylindrically symmetric cladding mode. At four exemplary operating wavelengths λ are the period A according to equation (II) with Λ LPG = λ Bragg / n LP01 - nLP 0m (II) and the radial order of the cladding mode and the length L of the necessary long-period Bragg grating 9 listed. The calculation of these parameters took place under the greatly simplified assumption of a glass fiber 3 without metal coating. Technical data of commercially available single-mode fibers as well as the programs IFO-GRATINGS and FIBER-CAD were used. For a correct modeling of the sensor system, it becomes expedient to mathematically describe the metallized waveguide structure.

Um die Empfindlichkeit des Sensor 1 abschätzen zu können, wurde das Verhältnis von einfallender optischer Leistung und total reflektierter optischer Leistung (Reflektivität) an der Substrat-Metall-Grenzfläche berechnet. Die Abhängigkeit von der Brechzahl nA des faserangrenzenden Mediums 2 ist in 3b für unterschiedliche Arbeitswellenlängen λ dargestellt. Die Berechnung geht auf eine Methode nach Fresnel zurück und verwendet einen Ansatz aus der elektrischen Leitungstheorie, bei welchem die Wellenimpedanz des faserangrenzenden Mediums 2 durch die komplexe Wellenimpedanz des Metalls transformiert wird. Aus dem Anstieg der Kennlinien lässt sich die Empfindlichkeit des Sensors 1 ableiten, die mit wachsender Wellenlänge zunimmt. Es zu beachten, dass gerade im hochempfindlichen infraroten Wellenlängenbereich nur Mantelmoden hoher Ordnung zur Anregung einer Oberflächenplasmonenwelle geeignet sind. Diese führen nur geringe Feldanteile im Faserkern 8, sodass ein sehr langes langperiodisches Bragg-Gitter 9 notwendig ist, um die gesamte optische Leistung zu konvertieren. Wird eine dünne intermediale Schicht 19 hoher Brechzahl über der Goldschicht 13 aufgebracht, lässt sich die effektive Brechzahl neff der Oberflächenplasmonenwelle zu höheren Werten verschieben, welche durch günstigere Mantelmode angeregt werden können. In 3a ist der Effekt einer 45 nm dünnen Ta2O5 (Tantalpentoxid) dargestellt. Durch eine solche intermediale Schicht 19 lässt sich nicht nur die Länge des langperiodisches Bragg-Gitters 9 auf praxistaugliche Werte reduzieren, es ist ebenfalls möglich, den erfindungsgemäßen Sensor 1 an wässrige faserangrenzende Medien 2 mit geringer Brechzahl nA anzupassen.To the sensitivity of the sensor 1 In order to estimate the ratio of incident optical power and total reflected optical power (reflectivity) at the substrate-metal interface was calculated. The dependence on the refractive index n A of the fiber-limiting medium 2 is in 3b represented for different operating wavelengths λ. The calculation is based on a Fresnel method and uses an approach from electrical conduction theory in which the wave impedance of the fiber-limiting medium 2 is transformed by the complex wave impedance of the metal. From the increase in the characteristic curves, the sensitivity of the sensor can be determined 1 derived, which increases with increasing wavelength. It should be noted that, especially in the highly sensitive infrared wavelength range, only high-order cladding modes are suitable for exciting a surface plasma wave. These lead only small field shares in the fiber core 8th so that a very long long period Bragg grating 9 necessary to convert all the optical power. Becomes a thin intermediate layer 19 high refractive index over the gold layer 13 applied, the effective refractive index n eff of the surface plasmon wave can be shifted to higher values, which can be excited by more favorable cladding mode. In 3a the effect of a 45 nm thin Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide) is shown. Through such an intermediary layer 19 not just the length of the long-period Bragg grating 9 reduce to practicable values, it is also possible, the sensor of the invention 1 on aqueous fiber-admitting media 2 with low refractive index n A adapt.

In 4 ist ein zweiter erfindungsgemäßer auf Reflexionsbasis aufgebauter Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 40 dargestellt, der mit einem Wellenlämgem-Multiplex seitens des einfallenden Lichtes arbeitet und zum ortsaufgelösten, gleichzeitigen Nachweis verschiedener faserangrenzender Medien 2 – von verschiedenen Analyten – dient.In 4 is a second reflectron-based surface plasmon resonance sensor according to the invention 40 shown working with a Wellenlämgem multiplex from the incident light and the spatially resolved, simultaneous detection of various fiber-adjacent media 2 - of different analytes - serves.

Der zweite faseroptische Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor 40 zur Bestimmung von Brechzahlen nA von faserangrenzenden Medien 2 gemäß Patent 10 2008 046 3205
enthält
eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser 3,
eine Lichtquelle 4 und einen Detektor 5, die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich 26 der Singlemode-Faser 3 befinden,
wobei zwischen Faser 3 und Lichtquelle 4/Detektor 5 ein Faserkoppler 24 oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle 4 zugewandten Eingangsbereich 6 in die Faser 3 eintritt und die Faser 3 einen dem Eingangsbereich 6 entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich 7 aufweist,
und weitere folgende Funktionselemente

  • ein im Kernbereich 8 der optischen Faser 3 eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter 9 – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode 10 in eine ausgewählte Mantelmode 11,
  • – eine die Oberfläche 25 des Mantels 12 der Faser 3 rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht 13, an der die ausgewählte Mantelmode 11 eine Oberflächenplasmonenwelle 14 anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode 11 angeordnet ist,
wobei die verbleibende optische Leistung Iopt in der Ausgangs-Kernmode 15 dem Detektor 5 zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f(nA, λ) zugeführt wird.The second fiber optic surface plasmon resonance sensor 40 for determining refractive indices n A of fiber-adjacent media 2 according to patent 10 2008 046 3205
contains
a singlemode fiber used as an optical waveguide 3 .
a light source 4 and a detector 5 located in the irradiation and radiation area 26 the singlemode fiber 3 are located,
being between fiber 3 and light source 4 /Detector 5 a fiber coupler 24 or circulator is spliced and wherein the light is at the light source 4 facing entrance area 6 in the fiber 3 enters and the fiber 3 one in the entrance area 6 oppositely directed end region 7 having,
and further following functional elements
  • - one in the core area 8th the optical fiber 3 inscribed long period Bragg grating 9 - LPG - for coupling the input core mode 10 in a selected coat mode 11 .
  • - one the surface 25 of the coat 12 the fiber 3 all around surrounding thin cladding metal layer 13 at which the selected coat mode 11 a surface plasma wave 14 excites and the coupling of the cladding mode 11 is arranged
wherein the remaining optical power I opt in the output core mode 15 the detector 5 for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ) is supplied.

Erfidungsgemäß weist die Lichtquelle 4 mehrere Einzellichtquellen 41, 42, 43 zur Einspeisung von Licht unterschiedlicher Arbeitslängenwellen λ1, λ2, λ3 in den Faserkoppler 24 und nachfolgend in die Faser 3 auf, wobei am langperiodischen Bragg-Gitter 9 mit der Gitterperiode Λ1 aus dem Eingangs-Kernmode LP011, λ2, λ3) 10 die Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) 11 entstehen,
wobei der Endbereich 7 sowohl rundum um den Fasermantel 12 mit einer Mantelmetallschicht 13 als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht 17 belegt ist,
wobei die Mantelmetallschicht 13 des Endbereiches 7 einen in Richtung zum langperiodischen Bragg-Gitter 9 verlängerten Endbereich 71 aufweist, dem auf dem Fasermantel 12 aufgebrachte Metall-Bragg-Gitter 131, 132 mit jeweils einer zur Gitterperiode Λ1 des langperiodischen Bragg-Gitters 9 unterschiedlichen Gitterperiode Λ2, Λ3 zugeordnet sind,
wobei aus dem Eingangs-Kernmode LP011, λ2, λ3) bei Durchlauf des langperiodischen Bragg-Gitters 9 die wellenlängenabhängigen Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) sowie bei Durchlauf des verlängerten Endbereichs 71 und des Endbereiches 7 unterschiedliche wellenlängenabhängige, reflektierte Oberflächenplasmonenwellenlängen SPR(λ1), SPR(λ2), SPR(λ3) entstehen, die als wellenlängenabhängige modifizierte Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) das langperiodische Bragg-Gitter 9 reflektiv durchlaufen und nach Auskopplung in die Ausgangs-Kernmode 15 durch eine Referenz-Messung mittels des Detektors 5 einer wellenlängenabhängigen Auswertung zugeführt werden.
According to the invention, the light source 4 several individual light sources 41 . 42 . 43 for feeding light of different working wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 into the fiber coupler 24 and subsequently into the fiber 3 on, being on the long-period Bragg grating 9 with the grating period Λ 1 from the input core mode LP 011 , λ 2 , λ 3 ) 10 the cladding mode LP 0m1 ), LP 0 m + i2 ), LP 0m + k3 ) 11 arise
the end area 7 both around the fiber coat 12 with a cladding metal layer 13 as well as end face with a metal thin film 17 is occupied,
wherein the cladding metal layer 13 of the end area 7 one towards the long-period Bragg grating 9 extended end area 71 which, on the fiber coat 12 applied metal Bragg gratings 131 . 132 with one to the grating period Λ 1 of the long-period Bragg grating 9 different grating period Λ 2 , Λ 3 are assigned,
wherein from the input core mode LP 011 , λ 2 , λ 3 ) during passage of the long-period Bragg grating 9 the wavelength-dependent cladding mode LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k3 ) and when passing the extended end 71 and the end area 7 different wavelength-dependent, reflected surface plasmone wavelengths SPR (λ 1 ), SPR (λ 2 ), SPR (λ 3 ) are obtained, which are wavelength-dependent modified cladding modes LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k ( λ 3 ) the long-period Bragg grating 9 traversing reflective and after extraction into the output core mode 15 by a reference measurement by means of the detector 5 be supplied to a wavelength-dependent evaluation.

Dem Detektor 5 wird zur Messung und Auswertung die optischen Leistung Iopt = f(nA, λ) gemäß der funktionalen wellenlängenabhängigen Abhängigkeit zugeführt.The detector 5 For measurement and evaluation, the optical power I opt = f (n A , λ) is supplied according to the functional wavelength-dependent dependence.

Zur wellenlängenabhängigen Auswertung können als Detektor 5 ein optischer Spektralanalysator vorgesehen und/oder wellenlängenzugeordnete Filter vor die als Detektor 5 vorgesehene Photodiode geschaltet sein.For wavelength-dependent evaluation can as a detector 5 an optical spectrum analyzer provided and / or wavelength-assigned filters before as a detector 5 be provided provided photodiode.

Damit erfolgt eine Referenzierung der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Signale auf ein und derselben Faser 3.Thus, the surface plasmon resonance signals are referenced to one and the same fiber 3 ,

Das stellt einen großen Vorteil bezüglich der angeschlossenen Messelektronik und Auswerteelektronik und des minimal benötigten Probenvolumens des faserangrenzenden Mediums 2, da in diesem Fall auf eine zweite Referenzfaser verzichtet werden kann, dar, wobei das Medium 2 nunmehr aus einer einzelnen Komponente oder aus mehreren Komponenten biologischen oder chemischen Materials bestehen kann.This represents a major advantage in terms of the connected measuring electronics and evaluation electronics and the minimum required sample volume of the fiber-limiting medium 2 , Since in this case can be dispensed with a second reference fiber is, wherein the medium 2 can now consist of a single component or of several components biological or chemical material.

Mit dem Wellenlängen-Multiplex können mehrere Einzellichtquellen 41, 42, 43 mit verschiedenen Arbeitslängenwellen λ1, λ2, λ3 eingesetzt werden.The wavelength multiplexing can be several individual light sources 41 . 42 . 43 be used with different working wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 .

Erforderlich dafür ist es, dass eine partielle laterale Strukturierung des Schichtaufbaus der den Fasermantel 12 rundum umgebenden Mantelmetallschicht 13, 131, 132 einschließlich der Metall-Bragg-Gitter – MBG – 131, 132 mit unterschiedlichen Perioden Λ2, Λ3 mit einer Länge von etwa 10 μm–300 μm und dessen selektiver Beschichtung mit biologischen Sondenmolekülen als intermediale Schicht 19, 191, 192 ausgebildet sind.It is necessary for this that a partial lateral structuring of the layer structure of the cladding metal layer surrounding the fiber cladding 12 all around 13 . 131 . 132 including the metal Bragg grating - MBG - 131 . 132 with different periods Λ 2 , Λ 3 with a length of about 10 μm-300 μm and its selective coating with biological probe molecules as an intermediate layer 19 . 191 . 192 are formed.

Dabei können die Arbeitswellenlängen λ2, λ3 nur an dem entsprechenden Metall-Bragg-Gitter 131, 132 jeweils eine Oberflächenplasmonenwelle SPR(λ1), SPR(λ2), SPR(λ3) auslösen.In this case, the operating wavelengths λ 2 , λ 3 only at the corresponding metal Bragg grating 131 . 132 each trigger a surface plasmon wave SPR (λ 1 ), SPR (λ 2 ), SPR (λ 3 ).

Damit können verschiedene biologische Sondenmoleküle als mehrere Komponenten einem Ort, z. B. einem Flüssigkeitsgemisch in einem Behälter 22, und damit einer Wellenlänge zugewiesen werden.Thus, various biological probe molecules as multiple components a place, for. B. a liquid mixture in a container 22 , and thus assigned to a wavelength.

Die Funktionsweise wird im Folgenden erläutert:
Durch das langperiodische Bragg-Gitter 9 werden mehrere Mantelmoden LP0m1), LP0(m+i)2) i = ±1, 2, 3 ..., LP0(m+k)3) k = ±1, 2, 3 ... an unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 angeregt. Da diese abweichende Ausbreitungskonstanten neff gemäß umgestellter Gleichungen (II) λ1,2,3 = Λ1·(nLP01 – nLP0m1,2,3) (II) und umgestellt nLP0m1,2,3 = nLP01 – (λ1,2,31) (II) mit nLP0m1 = nSPW1), nLP0m2 ≠ nSPW2) und nLP0m3 ≠ nSPW3) besitzen, kann nur mit einer der λ – Arbeitswellenlängen eine SPR(λ1) an der umstrukturierten Mantelmetallschicht 13, 131, 132 angeregt werden.
The functionality is explained below:
Through the long-period Bragg grating 9 become multiple cladding modes LP 0m1 ), LP 0 (m + i)2 ) i = ± 1, 2, 3 ..., LP 0 (m + k)3 ) k = ± 1, 2 , 3 ... excited at different wavelengths λ 1 , λ 2 , λ 3 . Since these differing propagation constants n eff according to the changed equations (II) λ 1,2,3 = Λ 1 · (n LP01 - n LP0m1,2,3 ) (II) and converted n LP0m1,2,3 = n LP01 - (λ 1,2,3 / Λ 1 ) (II) With n LP0m1 = n SPW1 ), n LP0m2 ≠ n SPW2 ) and n LP0m3 ≠ n SPW3 ) only one of the λ operating wavelengths can have an SPR (λ 1 ) on the restructured cladding metal layer 13 . 131 . 132 be stimulated.

Durch die partielle Bragg-Gitter-Strukturierung der Mantelmetallschicht 131, 132 lässt sich die Anpassung der anderen Mantelmoden – Ausbreitungskonstanten neff – mit SPR(λ2) an dem MBG 131 mit der Periode Λ2 und mit SPR(λ3) an dem MBG 132 mit der Periode Λ3 erreichen.Due to the partial Bragg grating structuring of the cladding metal layer 131 . 132 It is possible to adapt the other cladding mode propagation constants n eff - with SPR (λ 2 ) at the MBG 131 with the period Λ 2 and with SPR (λ 3 ) at the MBG 132 reach with the period Λ 3 .

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erster Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensorfirst surface plasmon resonance sensor
22
faserangrenzendes Mediumfiber-adjacent medium
33
Faserfiber
44
Lichtquellelight source
4141
erste Einzellichtquellefirst single light source
4242
zweite Einzellichtquellesecond single light source
4343
dritte Einzellichtquellethird single light source
55
Detektordetector
66
Eingangsbereichentrance area
77
Endbereichend
7171
verlängerter Endbereichextended end area
88th
Kernbereichcore area
99
langperiodisches Bragg-Gitter – LPG –long-period Bragg grating - LPG -
1010
Eingangs-KernmodeInput core mode
1111
eintretende erste Mantelmodeentering first coat mode
1212
Fasermantelfiber cladding
1313
MantelmetallschichtCoat metal layer
131131
erste strukturierte Mantelmetallschichtfirst structured cladding metal layer
132132
zweite strukturierte Mantelmetallschichtsecond structured cladding metal layer
1414
Oberflächenplasmonenwelle – SPW –Surface Plasmon Wave - SPW -
1515
Ausgangs-KernmodeOutput core mode
1616
Faserachsefiber axis
1717
Metalldünnschichtmetal thin film
1818
reflektierte Oberflächenplasmonenwellereflected surface plasma wave
1919
intermediale Schichtintermedial layer
191191
erste strukturierte intermediale Schichtfirst structured intermediate layer
192192
zweite strukturierte intermediale Schichtsecond structured intermediate layer
2020
endseitige Stirnflächeend face
2121
EinheitsmetallschichtUnit metal layer
2222
Behältercontainer
2323
modifizierte zweite Mantelmodemodified second cladding mode
2424
Faserkopplerfiber coupler
2525
Oberfläche des MantelsSurface of the jacket
2626
Einstrahlungs- und AusstrahlungsbereichRadiation and radiation area
2727
Faser-Bragg-Gitter – FBG –Fiber Bragg Grating - FBG -
2828
Zirkulatorcirculator
2929
residuale Kernmoderesidual core mode
3030
Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Patent 10 2008 046 320Surface plasmon resonance sensor according to patent 10 2008 046 320
4040
zweiter Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensorsecond surface plasmon resonance sensor
nA n A
Brechzahl des faserangrenzenden Mediums Refractive index of the fiber-adjacent medium
neff n eff
effektive Brechzahleffective refractive index
Λ Λ
Gitterperiode der Bragg-GitterGrating period of the Bragg gratings
λ λ
Arbeitslängenwelle der LichtquellenWorking wavelength of the light sources
Iopt I opt
optische Leistungoptical performance
SPR(λ)SPR (λ)
OberflächenplasmonenwelleSurface plasmon wave
LP01(λ)LP 01 (λ)
Kernmodecore mode
LP0m(λ)LP 0m (λ)
MantelmodeCoat Fashion

Claims (18)

Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (1) zur Bestimmung von Brechzahlen (nA) faserangrenzender Medien (2) gemäß Patent 10 2008 046 320, enthaltend mindestens eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser (3), eine Lichtquelle (4) und einen Detektor (5), die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich (26) der Singlemode-Faser (3) befinden, wobei zwischen Faser (3) und Lichtquelle (4)/Detektor (5) ein Faserkoppler (24) oder Zirkulator (28) gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle (4) zugewandten Eingangsbereich (6) in die Faser (3) eintritt und die Faser (3) einen dem Eingangsbereich (6) entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich (7) aufweist, und weitere folgende Funktionselemente – ein im Kernbereich (8) der optischen Faser (3) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (9) – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (10) in eine ausgewählte Mantelmode (11), – eine die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht (13), an der die ausgewählte Mantelmode (11) eine Oberflächenplasmonenwelle (14) anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode (11) angeordnet ist, und wobei die verbleibende optische Leistung (Iopt) in der Ausgangs-Kernmode (15) dem Detektor (5) zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f(nA, λ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (7) sowohl rundum um den Fasermantel (12) mit einer Mantelmetallschicht (13) als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht (17) belegt ist, wobei von der Metalldünnschicht (17) aus für die eingekoppelte Mantelmode (11) und im Endbereich (7) verlaufende Mantelmode (14) ein reflektiver Strahlengang mit einer im Endbereich (7) reflektierten Mantelmode (18) und einer den Endbereich (7) verlassenden Mantelmode (23) erzeugt wird und wobei dasselbe langperiodische Bragg-Gitter (9) im reflektiven Strahlengang zur Kopplung der den Endbereich (7) verlassenden Mantelmode (23) in eine Ausgangs-Kernmode (15) dient, die vom Detektor (5) registriert wird.Fiber optic surface plasmon resonance sensor ( 1 ) for determining refractive indices (n A ) of fiber-adjacent media ( 2 ) according to patent 10 2008 046 320, comprising at least one singlemode fiber used as an optical waveguide ( 3 ), a light source ( 4 ) and a detector ( 5 ) located in the irradiation and radiation area ( 26 ) of the singlemode fiber ( 3 ), whereby between fiber ( 3 ) and light source ( 4 ) / Detector ( 5 ) a fiber coupler ( 24 ) or circulator ( 28 ) and wherein the light is at the light source ( 4 ) facing entrance area ( 6 ) in the fiber ( 3 ) and the fiber ( 3 ) one the entrance area ( 6 ) oppositely directed end region ( 7 ), and further following functional elements - one in the core area ( 8th ) of the optical fiber ( 3 ) inscribed long period Bragg grating ( 9 ) - LPG - for coupling the input core mode ( 10 ) in a selected cladding mode ( 11 ), - a surface ( 25 ) of the jacket ( 12 ) of the fiber ( 3 ) all around surrounding thin cladding metal layer ( 13 ) at which the selected jacket mode ( 11 ) a surface plasmon wave ( 14 ) and for coupling the cladding mode ( 11 ), and wherein the remaining optical power (I opt ) in the output core mode ( 15 ) the detector ( 5 ) is supplied for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ), characterized in that the end region ( 7 ) all around the fiber cladding ( 12 ) with a cladding metal layer ( 13 ) as well as end-face with a metal thin film ( 17 ), wherein of the metal thin layer ( 17 ) for the coupled jacket mode ( 11 ) and in the end area ( 7 ) running jacket mode ( 14 ) a reflective beam path with one in the end region ( 7 ) reflected cladding mode ( 18 ) and one the end area ( 7 ) leaving jacket mode ( 23 ) and wherein the same long period Bragg grating ( 9 ) in the reflective beam path for coupling the end region ( 7 ) leaving jacket mode ( 23 ) into an output core mode ( 15 ) served by the detector ( 5 ) is registered. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Endbereich (7) die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende Mantelmetallschicht (13) und die an der endseitigen Stirnfläche (20) angebrachte Metalldünnschicht (17) eine verbindende Einheitsmetallschicht (21) darstellen.Surface plasmon resonance sensor according to claim 1, characterized in that in the end region ( 7 ) the surface ( 25 ) of the jacket ( 12 ) of the fiber ( 3 ) surrounding the surrounding metal layer ( 13 ) and at the end face ( 20 ) attached metal thin film ( 17 ) a connecting unit metal layer ( 21 ). Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine intermediale Schicht (19) auf der die Faser (3) rundum umgebenden Mantelmetallschicht (13) aufgebracht ist.Surface plasmon resonance sensor according to claim 1 or 2, characterized in that an intermediate layer ( 19 ) on which the fiber ( 3 ) surrounding cladding metal layer ( 13 ) is applied. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung der endseitigen Stirnfläche (20) und des Fasermantels (12) des Endbereiches (7) in einem Prozessschritt erfolgt.Surface plasmon resonance sensor according to claim 2, characterized in that the metallization of the end face ( 20 ) and the fiber jacket ( 12 ) of the end region ( 7 ) takes place in one process step. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnendseitige Metalldünnschicht (17) und die Mantelmetallschicht (13) eine Schichtdicke von mindestens 50 nm aufweist.Surface plasmon resonance sensor according to claim 1, characterized in that the front-end metal thin layer ( 17 ) and the cladding metal layer ( 13 ) has a layer thickness of at least 50 nm. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Fasermantel (12) rundum umgebende Mantelmetallschicht (13) eine Länge parallel zur Faserachse (16) aufweist, die mindestens im einstelligen Millimeterbereich liegt.Surface plasmon resonance sensor according to claim 1, characterized in that the fiber cladding ( 12 ) surrounding the surrounding metal layer ( 13 ) a length parallel to the fiber axis ( 16 ), which is at least in the single-digit millimeter range. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein langperiodisches Bragg-Gitter (9) vorgesehen ist, dessen Periode (A) mechanisch abstimmbar ist.Surface plasmon resonance sensor according to claim 1, characterized in that a long-period Bragg grating ( 9 ) is provided, whose period (A) is mechanically tunable. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) eine Laserdiode und der Detektor (5) eine Photodiode sind.Surface plasmon resonance sensor according to claim 1, characterized in that the light source ( 4 ) a laser diode and the detector ( 5 ) are a photodiode. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne intermediale Schichten (19) eine hohe Brechzahl zur Anpassung an den niedrigen Brechzahlbereich (nA) des faserangrenzenden Mediums (2) aufweist.Surface plasmon resonance sensor according to claim 3, characterized in that the thin intermediate layers ( 19 ) has a high refractive index for adaptation to the low refractive index range (n A ) of the fiber-limiting medium ( 2 ) having. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die intermediale Schichten (19) mindestens eine biofunktionale Schicht zur Untersuchung von biotechnologischen Vorgängen aufweist, wobei die biofunktionale Schicht selektiv einen umgebenden biochemischen Stoff an sich bindet und so eine Änderung der Brechzahl (nA) des faserangrenzenden Mediums (2) zur Messung und Auswertung herbeiführt. Surface plasmon resonance sensor according to claim 9, characterized in that the intermediate layers ( 19 ) has at least one biofunctional layer for the investigation of biotechnological processes, wherein the biofunctional layer selectively binds a surrounding biochemical substance and thus a change in the refractive index (n A ) of the fiber-limiting medium ( 2 ) for measurement and evaluation. Faseroptischer Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor (40) zur Bestimmung von Brechzahlen (nA) von faserangrenzenden Medien (2) gemäß Patent 10 2008 046 320, enthaltend eine als optischer Wellenleiter eingesetzte Singlemode-Faser (3), eine Lichtquelle (4) und einen Detektor (5), die sich im Einstrahlungs- und Ausstrahlungsbereich (26) der Singlemode-Faser (3) befinden, wobei zwischen Faser (3) und Lichtquelle (4)/Detektor (5) ein Faserkoppler (24) oder Zirkulator gespleißt angeordnet ist und wobei das Licht an dem der Lichtquelle (4) zugewandten Eingangsbereich (6) in die Faser (3) eintritt und die Faser (3) einen dem Eingangsbereich (6) entgegengesetzt gerichtet ausgebildeten Endbereich (7) aufweist, und weitere folgende Funktionselemente – ein im Kernbereich (8) der optischen Faser (3) eingeschriebenes langperiodisches Bragg-Gitter (9) – LPG – zur Kopplung der Eingangs-Kernmode (10) in eine ausgewählte Mantelmode (11), – eine die Oberfläche (25) des Mantels (12) der Faser (3) rundum umgebende dünne Mantelmetallschicht (13), an der die ausgewählte Mantelmode (11) eine Oberflächenplasmonenwelle (14) anregt und die zur Einkopplung der Mantelmode (11) angeordnet ist, und wobei die verbleibende optische Leistung (Iopt) in der Ausgangs-Kernmode (15) dem Detektor (5) zur Messung und Auswertung gemäß einer funktionalen Abhängigkeit Iopt = f(nA, λ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (4) mehrere Einzellichtquellen (41, 42, 43) zur Einspeisung von Licht unterschiedlicher Arbeitslängenwellen (λ1, λ2, λ3) in den Faserkoppler (24) und nachfolgend in die Faser (3) aufweist, wobei am langperiodischen Bragg-Gitter (9) mit der Gitterperiode (Λ1) aus dem Eingangs-Kernmode LP011, λ2, λ3) (10) die Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) (11) entstehen, wobei der Endbereich (7) sowohl rundum um den Fasermantel (12) mit einer Mantelmetallschicht (13) als auch stirnendseitig mit einer Metalldünnschicht (17) belegt ist, wobei die Mantelmetallschicht (13) des Endbereiches (7) einen in Richtung zum langperiodischen Bragg-Gitter (9) verlängerten Endbereich (71) aufweist, zu dem auf dem Fasermantel (12) aufgebrachte Metall-Bragg-Gitter (131, 132) mit jeweils einer zur Gitterperiode (Λ1) des langperiodischen Bragg-Gitters (9) unterschiedlichen Gitterperiode (Λ2, Λ3) gehören, wobei aus dem Eingangs-Kernmode LP011, λ2, λ3) bei Durchlauf des langperiodischen Bragg-Gitters (9) die wellenlängenabhängigen Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) sowie bei Durchlauf des verlängerten Endbereichs (71) und des Endbereiches (7) unterschiedliche wellenlängenabhängige, reflektierte Oberflächenplasmonenwellenlängen SPR(λ1), SPR(λ2), SPR(λ3) entstehen, die als wellenlängenabhängige modifizierte Mantelmode LP0m1), LP0m+i2), LP0m+k3) das langperiodische Bragg-Gitter (9) reflektiv durchlaufen und nach Auskopplung in die Ausgangs-Kernmode (15) durch eine Referenz-Messung mittels des Detektors (5) einer wellenlängenabhängigen Auswertung zugeführt werden.Fiber optic surface plasmon resonance sensor ( 40 ) for determining refractive indices (n A ) of fiber-adjacent media ( 2 ) according to patent 10 2008 046 320, containing a singlemode fiber used as an optical waveguide ( 3 ), a light source ( 4 ) and a detector ( 5 ) located in the irradiation and radiation area ( 26 ) of the singlemode fiber ( 3 ), whereby between fiber ( 3 ) and light source ( 4 ) / Detector ( 5 ) a fiber coupler ( 24 ) or circulator is spliced and wherein the light at the light source ( 4 ) facing entrance area ( 6 ) in the fiber ( 3 ) and the fiber ( 3 ) one the entrance area ( 6 ) oppositely directed end region ( 7 ), and further following functional elements - one in the core area ( 8th ) of the optical fiber ( 3 ) inscribed long period Bragg grating ( 9 ) - LPG - for coupling the input core mode ( 10 ) in a selected cladding mode ( 11 ), - a surface ( 25 ) of the jacket ( 12 ) of the fiber ( 3 ) all around surrounding thin cladding metal layer ( 13 ) at which the selected jacket mode ( 11 ) a surface plasmon wave ( 14 ) and for coupling the cladding mode ( 11 ), and wherein the remaining optical power (I opt ) in the output core mode ( 15 ) the detector ( 5 ) is supplied for measurement and evaluation according to a functional dependence I opt = f (n A , λ), characterized in that the light source ( 4 ) several individual light sources ( 41 . 42 . 43 ) for feeding light of different working wavelengths (λ 1 , λ 2 , λ 3 ) into the fiber coupler ( 24 ) and subsequently into the fiber ( 3 ), wherein on the long-period Bragg grating ( 9 ) with the grating period (Λ 1 ) from the input core mode LP 011 , λ 2 , λ 3 ) ( 10 ) the cladding mode LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k3 ) ( 11 ), the end region ( 7 ) all around the fiber cladding ( 12 ) with a cladding metal layer ( 13 ) as well as end-face with a metal thin film ( 17 ), wherein the cladding metal layer ( 13 ) of the end region ( 7 ) one towards the long-period Bragg grating ( 9 ) extended end region ( 71 ), to which on the fiber cladding ( 12 ) applied metal Bragg gratings ( 131 . 132 ) with one each to the grating period (Λ 1 ) of the long-period Bragg grating ( 9 ) Of different grating period (Λ 2 Λ 3) include, wherein (from the input core mode LP 011, λ 2, λ 3) for passage of the long-period Bragg grating 9 ) the wavelength-dependent cladding mode LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k3 ) and when passing the extended end region ( 71 ) and the end area ( 7 ), different wavelength-dependent, reflected surface plasma wavelengths SPR (λ 1 ), SPR (λ 2 ), SPR (λ 3 ) arise, which are wavelength-dependent modified cladding modes LP 0m1 ), LP 0m + i2 ), LP 0m + k3 ) the long-period Bragg grating ( 9 ) and after coupling into the output core mode ( 15 ) by a reference measurement by means of the detector ( 5 ) are supplied to a wavelength-dependent evaluation. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzierung der Oberflächenplasmonen-Resonanz-Signale auf ein und derselben Faser (3) erfolgt.Surface plasmon resonance sensor according to claim 11, characterized in that a referencing of surface plasmon resonance signals on one and the same fiber ( 3 ) he follows. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das faserangrenzende Medium (2) aus einer einzelnen Komponente oder aus mehreren Komponenten biologischen oder chemischen Materials besteht.Surface plasmon resonance sensor according to claim 11 or 12, characterized in that the fiber-adjacent medium ( 2 ) consists of a single component or of several components of biological or chemical material. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine partielle laterale Strukturierung des Schichtaufbaus der den Fasermantel (12) rundum umgebenden Mantelmetallschicht (13, 131, 132) einschließlich der Metall-Bragg-Gitter – MBG – (131, 132) mit unterschiedlichen Perioden (Λ2, Λ3) mit einer Länge von etwa 10 μm–300 μm und dessen selektiver Beschichtung mit biologischen Sondenmolekülen als intermediale Schicht (19, 191, 192) ausgebildet sind.Surface plasmon resonance sensor according to one of claims 11 to 13, characterized in that a partial lateral structuring of the layer structure of the fiber cladding ( 12 ) surrounding cladding metal layer ( 13 . 131 . 132 ) including metal Bragg gratings - MBG - ( 131 . 132 ) with different periods (Λ 2 , Λ 3 ) with a length of about 10 μm-300 μm and its selective coating with biological probe molecules as an intermediate layer ( 19 . 191 . 192 ) are formed. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitswellenlängen (λ2, λ3) nur an dem entsprechenden Metall-Bragg-Gitter (131, 132) jeweils eine Oberflächenplasmonenwelle SPR(λ2), SPR(λ3) auslösen.Surface plasmon resonance sensor according to one of claims 11 to 14, characterized in that the operating wavelengths (λ 2 , λ 3 ) only at the corresponding metal Bragg grating ( 131 . 132 ) each trigger a surface plasmon wave SPR (λ 2 ), SPR (λ 3 ). Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je nach eingesetztem Sensor (1, 40) der Endbereich (7) und/oder der verlängerte Endbereich (71) des Fasermantels (12) der zylindrischen Singlemode-Faser (3) mit einem Mehrlagensystem dünner Schichten versehen sind, wobei sich das Mehrlagensystem aus einer Metallschicht (13) und/oder mindestens einem Metall-Bragg-Gitter (131, 132) sowie aus zur Metallschicht (13) und dem Metall-Bragg-Gitter (131, 132) korrespondierenden dielektrischen Schicht zur Anpassung des Brechungsindexes an das faserangrenzende Medium (2) und einer entsprechend zugeordneten intermedialen, funktionellen Schicht (19, 191, 192) biomolekularer Sonden zum selektiven Nachweis mindestens eines biochemischen Analyten im faserangrenzenden Medium (2) zusammensetzt.Surface plasmon resonance sensor according to one of the preceding claims, characterized in that, depending on the sensor used ( 1 . 40 ) the end region ( 7 ) and / or the extended one End area ( 71 ) of the fiber jacket ( 12 ) of the cylindrical singlemode fiber ( 3 ) are provided with a multilayer system of thin layers, wherein the multilayer system consists of a metal layer ( 13 ) and / or at least one metal Bragg grating ( 131 . 132 ) and out to the metal layer ( 13 ) and the metal Bragg grating ( 131 . 132 ) corresponding dielectric layer for matching the refractive index to the fiber-adjacent medium ( 2 ) and a correspondingly assigned intermedial, functional layer ( 19 . 191 . 192 ) biomolecular probes for the selective detection of at least one biochemical analyte in the fiber-limiting medium ( 2 ). Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagensystem eine Schichtdicke von kleiner als 500 nm aufweist.Surface plasmon resonance sensor according to claim 16, characterized in that the multi-layer system has a layer thickness of less than 500 nm. Oberflächenplasmonen-Resonanz-Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur wellenlängenabhängigen Auswertung als Detektor (5) ein optischer Spektralanalysator vorgesehen ist und/oder wellenlängenzugeordnete Filter vor die als Detektor (5) vorgesehene Photodiode geschaltet sind.Surface plasmon resonance sensor according to one of claims 11 to 17, characterized in that for the wavelength-dependent evaluation as a detector ( 5 ) an optical spectrum analyzer is provided and / or wavelength-assigned filters in front of the detector ( 5 ) provided photodiode are connected.
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