基于光子晶体光纤的表面等离子共振传感器的研究

论文摘要

在日常生产生活中的许多重要领域中，比如医药、环境、生物、食品等等，对于生化物质的检测和分析有着广泛的需求。采用光子晶体光纤制作传感器是传感器领域研究的一大热点，而基于表面等离子体共振效应（（SPR）光子晶体光纤传感器是其重要发展方向，尤其表面等离子共振传感技术在生化物质检测传感领域中有着巨大的应用潜力。因此，对光子晶体光纤表面等离子共振传感器进行研究具有重要意义。文章在基于光子晶体光纤表面等离子共振传感器研究中，使用有限元软件COMSOL Multiphysics构建光纤模型，分析传感器特性，逐步优化结构，并进行了相关实验验证和分析。本文的主要内容和创新点归纳如下:1）全面介绍了PCF和SPR的基本概念、特点以及发展状况，详细分析了SPR传感的基本原理，为设计和应用SPR传感器提供了相关的理论基础。2)针对在微米量级的气孔内镀膜操作的巨大困难性和难以重复使用的缺点，提出使用填充纳米金属线结构的光子晶体光纤来实现表面等离子共振传感。利用有限元法对该结构光纤在不同波长处的光场分布进行了模拟计算，并从共振波长及光强检测两个方面分别讨论了它们的传感特性。数值仿真结果表明经过优化设计的传感器结构，其光谱和光强检测灵敏度可以达到4x10-55x10-5 RIU，并且传感器的加工制作有望得到简化。3)从实用角度出发，提出聚合物光子晶体光纤用于光子晶体光纤表面等离子共振传感器，这种光纤采用聚甲基丙烯酸甲醋（PMMA）制作，包层区域只有一层空气孔。金属膜不需要镀在微小的气孔内，只需要镀在光纤的外部侧面，待测物质在光纤外表面检测，也不需要填充到小孔中，方便于传感系统多次重复检测使用，省却了诸多麻烦。具有简单易用，方便重复使用，和较高可靠性、稳定性及灵敏度等众多优良特性。4)在大量理论工作和仿真模拟的同时，我们探索性地开展了相关的实验研究工作，通过不断优化实验方案，克服了某些技术上的困难，获得了较好的初步实验结果

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究意义
• 1.3 PCF技术
• 1.3.1 PCF简介
• 1.3.2 PCF的发展
• 1.3.3 PCF的特性
• 1.3.4 PCF的数值计算方法
• 1.4 SPR传感技术
• 1.4.1 SPR与LSPR
• 1.4.2 SPR简介及其发展历程
• 1.4.3 SPR的优点及应用
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 SPR传感的基本理论与方法
• 2.1 波动方程
• 2.2 光激发表面等离子共振传感器原理
• 2.3 SPR光学传感系统的组成和分类
• 2.3.1 棱镜藕合型SPR传感器
• 2.3.2 波导藕合型SPR传感器
• 2.3.3 光纤SPR传感器
• 2.3.4 光栅SPR传感器
• 2.4 SPR传感的调制及检测方式
• 2.4.1 角度调制型
• 2.4.2 波长调制型
• 2.4.3 强度调制型
• 2.4.4 相位调制型
• 2.5 PCF-SPR传感技术
• 2.6 金属膜厚度的选择
• 2.7 有限元软件COMSOL Multiphysics简介
• 2.8 小结
• 第三章 填充纳米银线光子晶体光纤表面等离子共振传感器
• 3.1 填充半径150nm银线光子晶体光纤SPR传感器
• 3.2 填充半径SOnm和300nm银线光子晶体光纤SPR传感器
• 3.3 第二层气孔填充半径150nm银线光子晶体光纤SPR传感器
• 3.4 小结
• 第四章 聚合物光子晶体光纤SPR传感器
• 4.1 基于直径250pm聚合物PCF的SPR传感器
• 4.2 基于直径125pm聚合物PCF的SPR传感器
• 4.3 小结
• 第五章 PCF-SPR传感的实验研究
• 5.1 实验方案
• 5.1.1 宽带光源及其藕合
• 5.1.2 PCF的选用
• 5.1.3 金属镀膜
• 5.2 PCF-SPR的数值计算与相关实验
• 5.2.1 仿真模拟与数值计算
• 5.2.2 实验结果与讨论
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢