【摘要】：近年來,光子晶體光纖表面等離子體共振(PCF-SPR)傳感器憑借其優(yōu)異的傳感性能在生命科學、藥物篩選、分子識別以及免疫測定等領域表現出來巨大的應用潛力,因而受到科研工作者的廣泛關注。本文利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics數值仿真軟件,從結構創(chuàng)新和方法創(chuàng)新的角度設計了三種類型的PCF-SPR傳感器,并對它們的結構參數和傳感特性進行深入的分析。提出一種互相對稱的雙D型PCF-SPR傳感器。結果表明,兩根PCF之間的能量定向耦合可以明顯提升PCF-SPR傳感器的性能指標。本課題研究了結構參數對所設計的傳感器性能的影響以及共振波長和待測溶液折射率之間的關系。在1.36到1.41的待測溶液折射率范圍內,平均光譜靈敏度可以達到14660 nm/RIU,相應的待測溶液折射率分辨率為6.82×10~(-6) RIU。作為比較,本文還對結構參數相同的單D型PCF-SPR傳感器的特性進行了研究。對比之后發(fā)現,雙D型PCF-SPR傳感器在光譜靈敏度、折射率分辨率、振幅靈敏度以及品質因子等幾個方面都具有明顯的優(yōu)勢。提出一種工作在近紅外波段的八芯PCF-SPR傳感器。通過有限元法研究了其損耗特性,建模時添加了完美匹配層作為邊界條件。利用基模的損耗譜研究了結構參數對傳感器性能的影響,并且得到了待測溶液折射率與與共振波長之間的關系。傳感器的工作波長范圍是800 nm到1300 nm,折射率檢測范圍為1.395到1.425,在該范圍內,平均光譜靈敏度為12592.86 nm/RIU,相應的折射率分辨率為7.94×10~(-6) RIU。最大光譜靈敏度和最大品質因子分別為22807.14 nm/RIU和595.78。提出一種空氣孔呈正方形排列的非對稱雙折射PCF-SPR傳感器。該傳感器主要是用來檢測低折射率范圍的待測溶液。本設計中使用了雙折射分析法,結果表明,在非對稱PCF-SPR結構的研究過程中,雙折射分析法可以代替?zhèn)鹘y的限制性損耗譜分析法。該傳感器的空氣孔按正方形晶體結構排列,并且用于激發(fā)SPR的兩個等離子體活性金薄膜被沉積在左右兩個通道內壁。分析表明,該傳感器具有1到1.43的超寬折射率檢測范圍,其最大光譜靈敏度為6300 nm/RIU。
【學位授予單位】：東北石油大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212
【圖文】：

第一章 緒論 光子晶體光纖概述光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）具有高非線性、無截止單模以及等特性，為光纖激光器和光纖傳感等領域帶來了新的可能和機遇[1-4]。1987 年n[5]和 E. Yablonovitch[6]提出了光子晶體的概念。光子晶體（Photonic Crystal）是材料，特點是在空間上折射率周期性分布[7]。光子晶體光纖是依托光纖特性將的特點引入其中，從而開辟出的一個新的研究領域。P. S. J. Russell[8]在 1992 年了光子晶體光纖的概念，并對其光學特性進行了分析。這種新概念的光纖結構通光纖發(fā)展的局限性提供了新的解決思路，掀起科研工作者們的研究熱潮。光子晶體光纖本質上是一種二維光子晶體，其構成主要有兩部分，第一部分是材料，常見背景材料有純凈二氧化硅、摻雜二氧化硅以及聚合物等，第二部分列的微米級空氣孔柱[9-12]。根據 PCF 的導光機制，可將其分為折射率引導型IR-PCF）和光子帶隙型 PCF（PBG-PCF）兩種類型。

為生物傳感等領域提供了廣闊的發(fā)展空間[20-22]。將金屬表面繞在正電荷背景下的理想電子氣體，即一種等離子體。當受到外界電磁會遠離斥力和引力的平衡位置，由于電荷之間庫侖力的影響，這些電振蕩的現象，并且是反復進行，該現象被稱為等離子體振蕩，所產生子體波（surface plasmon wave，SPW）[23-25]。光密介質進入光疏介質，當入射角大于或等于臨界角時，會發(fā)生全反角度分析，有一部分能量以消逝波[26]的形式進入光疏介質內。若在光鍍上金屬膜，消逝波就會與等離子體波相遇，當兩種波的波矢滿足一定共振，即表面等離子體共振[27-30]。 1902 年，R. W. Wood[31]在研究光柵衍射光譜的不均勻分布時，就已子體共振現象，但他并沒有對其進行深入分析。1941 年，美國的 U. 發(fā)現的現象從電子和電磁波的角度進行了解釋，使表面等離子體共振視野。但這一現象始終停留在理論階段，沒有向實踐邁進。直到 196者 A. Otto[33]設計出第一個基于 SPR 的傳感結構，并從理論上解釋了R 的機制，這無疑是 SPR 領域的一個新紀元，標志著 SPR 從理論向實踐

東北石油大學碩士研究生畢業(yè)論文內，在后來對這類結構的研究中，多為幾十納米。SPR 發(fā)生在金屬-介質界面上，而 O結構中，消逝波無需穿過金屬薄膜即可到達該界面，與 SPW 發(fā)生共振，故 Otto 結構大的優(yōu)點為金屬薄膜厚度對傳感特性的影響非常小，這就降低了在實際應用中對鍍膜藝的要求。Otto 結構雖然對金屬膜厚度的要求較低，但是卻增加了結構整體復雜度以及封裝度。1971 年，E. Kretschmann[34]對其進行了改進，提出金屬膜沉積在棱鏡表面的 SPR 感結構。圖 1.3(a)為 Kretschmann 最初設計的結構，(b)為簡化后的結構。在這種結構中金屬膜被直接鍍在棱鏡表面，大大降低了結構復雜度，但是由于消逝波具有一定穿透度，所以需要考慮金屬膜的厚度問題，也對鍍膜工藝有了更高要求。本文中所設計的種傳感器實際上都是 Kretschmann 型 PCF-SPR 結構。

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 施偉華;尤承杰;吳靜;;基于表面等離子體共振和定向耦合的D形光子晶體光纖折射率和溫度傳感器[J];物理學報;2015年22期

2 云茂金;梁健;任立勇;孔偉金;萬勇;;帶隙型光子晶體光纖慢光特性的優(yōu)化設計[J];光學學報;2013年04期

3 任國斌,婁淑琴,王智,簡水生;等效折射率模型研究光子晶體光纖的色散特性[J];光學學報;2004年03期

4 池灝,曾慶濟,姜淳;光子晶體光纖的原理、應用和研究進展[J];光電子·激光;2002年05期

相關博士學位論文 前2條

1 關壽華;光子晶體光纖特性及其傳感應用研究[D];大連理工大學;2015年

2 景磊;新型光子晶體光纖氣體傳感器研究[D];天津大學;2012年

相關碩士學位論文 前9條

1 楊媚;基于埃洛石納米管修飾的表面等離子體共振傳感器研究[D];暨南大學;2018年

2 吳靜;基于表面等離子體共振和定向耦合的光子晶體光纖傳感[D];南京郵電大學;2015年

3 秦偉;基于表面等離子體共振的金納米層微結構光纖傳感器研究[D];燕山大學;2014年

4 譚耀成;光纖倏逝波化學傳感器設計與應用研究[D];中國計量學院;2014年

5 文帥川;光子晶體光纖高雙折射特性及應用研究[D];南京郵電大學;2013年

6 劉蓓;基于表面等離子體共振的光子晶體光纖傳感特性的研究[D];天津理工大學;2012年

7 李松權;基于表面等離子體諧振原理的金屬薄膜色散特性檢測研究[D];黑龍江大學;2010年

8 王艷梅;改進的六重和八重準光子晶體光纖的色散特性研究[D];山西大學;2009年

9 劉毅;利用表面等離子體共振傳感技術分析氣體成分研究[D];黑龍江大學;2008年

本文編號：2762629