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基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器研究

2020-12-08阅读(879)

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器研究

论文摘要

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）传感器具有灵敏度高、检测实时性强、免标记检测等特点,同时光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）具有结构设计的灵活性和导光的独特性,因此基于光子晶体光纤的表面等离子体共振（PCF-SPR）传感器迅速发展成为传感领域热门的研究方向。PCF-SPR传感器与光纤SPR传感器相比,具有极高的灵敏度、灵活的结构设计和应用范围,但因其具有多个样品通道紧密排列导致存在通道之间相互干扰的缺点,因此折射率检测范围十分狭小。本文将双折射效应引入PCF-SPR传感器,同时利用优化传感性能的方法,设计出双圆开槽型PCF-SPR传感器,大幅度地提升了传感器探头的灵敏度。仿真分析两个微流体通道内部填充待测样品时PCF-SPR传感器的性能,提升了填充样品的折射率范围,使传感器性能更为优越。本文研究内容主要包括:1.详细介绍了光子晶体光纤和表面等离子体共振技术、PCF-SPR传感器的研究背景和国内外研究发展现状,之后阐明了本文的研究意义。2.研究分析了表面等离子体共振产生的基本原理和表面等离子体共振传感性能的增强方法。详细介绍了应用于PCF数值分析的有限元法,以及应用于PCF-SPR传感器性能分析的损耗谱分析法和性能指标。3.对具有双折射效应的PCF-SPR传感器内部HEx11模式和HEy11模式的工作原理进行了详细研究。通过仿真实验分析了开槽型PCF-SPR传感器的中心孔直径、额外空气孔直径、双折射圆直径和金膜厚度等主要结构参数对HEx11模式和HEy11模式的传感性能的影响。4.设计了PCF-SPR传感器的基础结构,详细研究了PCF-SPR传感器提高传感性能的方法,分别仿真分析缓冲波导层方法和引入结构缺陷方法对于传感性能的影响,最终得出优化后的PCF-SPR传感器的结构参数。5.充分利用设计出的PCF-SPR传感器所具有的双通道特性,将上下微流体通道分别填充不同折射率的待测样品,仿真分析得出了上下微流体通道各自的共振波长,同时得到PCF-SPR传感器的检测范围为:HEx11模式为1.33-1.36RIU,HEy11模式为1.33-1.37RIU。其中,当上下微流体通道填充同种折射率时,HEx11模式灵敏度为9370nm/RIU,HEy11模式灵敏度为8940nm/RIU。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 光子晶体光纤简介
  •   1.2 表面等离子体共振传感技术
  •   1.3 基于表面等离子体共振的光纤传感器
  •     1.3.1 基于表面等离子体共振的光纤传感器研究
  •     1.3.2 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器研究
  •   1.4 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的研究现状
  •   1.5 本文的意义和主要研究内容
  • 第2章 表面等离子体共振传感器理论研究
  •   2.1 表面等离子体共振传感原理
  •   2.2 表面等离子体共振传感性能的增强方法
  •     2.2.1 波导层的优化
  •     2.2.2 金属膜层的优化
  •   2.3 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的数值分析方法
  •     2.3.1 有限元法
  •     2.3.2 在PCF上运用有限元法
  •     2.3.3 边界条件
  •   2.4 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的分析方法
  •     2.4.1 损耗谱分析方法
  •     2.4.2 性能指标
  • 第3章 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器设计
  •   3.1 表面等离子体共振传感器金属膜的选取
  •   3.2 PCF-SPR传感器设计
  •     3.2.1 PCF-SPR传感器结构
  •     3.2.2 双圆开槽型PCF-SPR传感器的原理
  •   3.3 PCF-SPR传感器的几何参数对传感器性能的影响
  •     3.3.1 中心空气孔对传感特性的影响
  •     3.3.2 额外的空气孔对传感特性的影响
  •     3.3.3 双折射圆对传感特性的影响
  •     3.3.4 金膜厚度对传感特性的影响
  • 第4章 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感特性的研究
  •   4.1 开槽型SPR-PCF传感器的性能增强因素
  •     4.1.1 添加缓冲波导层
  •       4.1.1.1 波导层膜材料及膜厚对光纤表面等离子体共振光谱影响
  •       4.1.1.2 添加缓冲层的开槽型PCF-SPR传感器
  •     4.1.2 引入结构缺陷
  •   4.2 PCF-SPR传感器双通道传感检测的分析
  •     4.2.1 上下微流体通道填充同种折射率待测样品分析
  •     4.2.2 技术对比
  •     4.2.3 可行性分析
  •     4.2.4 改变下微流体通道填充折射率待测样品分析
  •     4.2.5 上下微流体通道填充不同种折射率待测样品
  • 第5章 总结和展望
  •   5.1 论文主要内容总结
  •   5.2 主要创新点
  •   5.3 问题与展望
  • 参考文献
  • 作者简介及在学期间所取得的科研成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 刘美佟

    导师: 郭玉彬

    关键词: 表面等离子体共振,光子晶体光纤,光纤传感

    来源: 吉林大学

    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: 吉林大学

    分类号: TN253;TP212

    总页数: 60

    文件大小: 12306K

    下载量: 527

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