外层镀膜光子晶体光纤表面等离子体共振传感器的研究

论文摘要

光子晶体光纤由于其灵活的结构设计和良好的传输特性,已经成为一种十分成熟的光信号传输媒介。近年来,光子晶体光纤与表面等离子体共振技术结合的光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感技术引起了众多研究者的兴趣,该技术在线性检测范围以及灵敏度方面均具备优势,尤其对生物介质界面处介质微小变化的检测在环境和工业监测、医疗卫生等方面得到了应用性的推广。作为一种新兴的传感技术,在传感特性和应用领域等方面有着巨大的研究意义。本文基于易于实现、可复用性强和高灵敏度的原则,重点研究了外层镀膜型光子晶体光纤表面等离子体共振传感器的特性,并在结构设计和传感性能等方面取得了一定的进展。本文首先理论分析了表面等离子体共振产生的原理,对光子晶体光纤与表面等离子体共振传感技的检测机理进行了研究,并讨论了光子晶体光纤表面等离子体共振传感器的数值计算方法。其次,提出一种三芯外层镀膜光子晶体光纤传感器,利用纤芯数目的增加从而进一步有效的延续了相位匹配的范围,增大传感器检测范围。由于多芯光子晶体光纤的模式相对较为复杂,因此对三芯光子晶体光纤的模式耦合方程进行理论研究,重点分析其模式耦合情况。通过有限元方法数值分析了传感器特性,并讨论了传感器结构参数对传感特性的影响。该传感器相比与同类型传感器具有检测范围大、灵敏度高等优点,同时具有易于实现、可复用性强、韧性好等特点。再次,提出一种以D型光子晶体光纤为基底的复合膜增强型传感器结构。D型传感平面更有利于被测介质的吸附,可增强光场与被测介质的相互作用。结构上也更加灵活,通过参数调整实现了检测波长以及检测范围的调制。并采用金属银膜和石墨烯膜构成复合膜结构,有效的增强了传感器的灵敏度,同时没有破坏传感器损耗谱曲线质量。研究了D型光子晶体光纤金属纳米线激发局域表面等离子体共振传感器特性,进一步提高了传感器的灵敏度。传感器在灵敏度,检测范围,半峰全宽等传感特性方面均具有优势。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 光子晶体光纤简介

1.2.1 光子晶体光纤特性

1.2.2 光子晶体光纤的分类

1.3 表面等离子体共振传感技术

1.3.1 SPR传感技术简介

1.3.2 典型SPR激励器件

1.4 PCF-SPR传感器概况及研究现状

1.5 论文工作内容

第2章 PCF-SPR理论分析与数值分析方法

2.1 引言

2.2 表面等离子体基本理论

2.2.1 倏逝波理论与衰减全反射

2.2.2 金属的光学性质

2.3 PCF-SPR基本理论

2.3.1 SPR激发基本原理

2.3.2 电磁波在PCF中传输的波动理论

2.3.3 PCF-SPR检测机理

2.4 数值分析方法

2.4.1 全矢量有限元分析

2.4.2 边界条件

2.5 传感器损耗谱分析法

2.6 本章小结

第3章外层镀膜三芯PCF-SPR传感器

3.1 引言

3.2 表征传感器特性参数

3.3 传感器模型

3.4 三芯光子晶体光纤的模式耦合理论

3.5 传感器的模式分析

3.6 传感器的结构参数优化

3.7 本章小结

第4章 D型外层覆膜光子晶体光纤生物传感器

4.1 引言

4.2 结构设计和理论模型

4.3 传感器共振特性分析

4.4 石墨烯介绍以及增敏特性研究

4.4.1 石墨烯特性分析

4.4.2 石墨烯厚度对传感性能的影响

4.4.3 石墨烯在传感器不同位置效果对比

4.5 传感器的结构参数的影响及优化

4.5.1 银膜厚度对传感器特性的影响

4.5.2 抛磨深度对传感器特性的影响

4.5.3 抛磨角平面度对传感器特性的影响

4.5.4 中心孔对波长以及检测范围的调制特性分析

4.6 传感器的灵敏度以及共振曲线质量分析

4.7 金属线局域表面等离子体共振检测效果对比

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王福成

导师: 童凯,王国宾

关键词: 表面等离子体共振,光子晶体光纤,有限元分析,折射率传感器,局域表面等离子体共振

来源: 燕山大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 燕山大学

分类号: TP212;TN253

DOI: 10.27440/d.cnki.gysdu.2019.000839

总页数: 74

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