光子晶体光纤SPR气体传感机理及关键技术研究

发布时间：2020-04-01 11:58

【摘要】：光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)因其独特的导光机制和灵活的结构设计被广泛应用于气体传感领域,同时结合表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术有效提高了传感的灵敏度。本文以光子晶体光纤结构的设计为出发点,提出一种基于气敏材料填涂的PCF-SPR甲烷传感器,在此基础上又设计一种双通道边孔型PCF-SPR甲烷、氢气传感器。文章深入分析PCF-SPR气体传感机制,为今后多种气体浓度的同步测量提供了新思路。论文的主要研究内容如下:(1)综述了国内外光子晶体光纤气体传感研究进程与发展现状,阐述了目前光子晶体光纤气体传感所面临的低灵敏度、交叉敏感等难题。通过优化设计光子晶体光纤的结构,结合表面等离子体共振技术解决气体传感方面的缺陷。(2)设计了一种基于气敏薄膜填涂的PCF-SPR甲烷传感器。在空气孔中镀上一层金属薄膜用来激发表面等离子体共振效应,同时在金属薄膜的内侧涂敷一层折射率随甲烷浓度呈线性变化的气敏材料,进行甲烷浓度的检测。实验表明,该甲烷传感器的灵敏度为-1.18nm/%,线性度高达99.98%。(3)设计了一种具有偏振滤波功能的PCF-SPR气体传感器,用于甲烷和氢气浓度的同时测量。为了提高对目标气体的光谱响应程度,在包层中引入四个对称的超大型边孔,并在其中两个边孔上涂覆不同的复合薄膜。对传感器模型中关键参数进行优化,以实现对特定气体的选择性检测。结合侧孔结构和偏振滤波特性,可以在互不干扰的情况下准确测量甲烷与氢气的浓度。该方法也可推广到多种混合气体中目标气体浓度的检测。最终结果显示,测量甲烷浓度时灵敏度为-1.99nm/%,线性度为99.95%;氢气灵敏度为-0.19nm/%,线性度为99.97%。
【图文】：

论roduction子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber）子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers, PCF)是建立在光子晶体理论上的一纤，是由波长量级的空气孔沿着石英晶体轴向方向周期性的排列而形成光纤[1]。光子晶体是一种人造晶体，由两种或者两种以上的介质按照一期性分布的一种晶体。因其特殊的排列方式，导致其介电常数在空间上期性分布的特性。光子晶体根据组成结构的差异，，存在一维光子晶体与晶体以及三维光子晶体这三种，如下图 1-1 所示。三维光子晶体的制造，制造成本过高并没有大量使用，而一维和二维光子晶体因其制造简廉更受研究者的喜爱。本文将二维光子晶体作为研究对象进行相关工作

2 PCF-SPR 气体传感理论然而有限元法却能很好的解决这一难题播域也是一个有限的封闭空间，只需要分后的子区域互不重叠就可以利用有限矢量分析能够很好地处理光子晶体光纤成为分析光子晶体光纤模场情况的一种s 软件是一款基于有限元算法的常用软件当光在光子晶体光纤内传播时，沿着轴所设计的光子晶体光纤气体传感器都是
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212

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