基于氮化钛膜和金线的PCF-SPR传感特性研究
本文关键词: 光子晶体光纤 表面等离子体共振 全矢量有限元法 传感器 出处:《天津理工大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:光子晶体光纤(PCF)又称为微结构光纤或多孔光纤,我们可以通过改变空气孔直径、空气孔间距、空气孔形状来改变其传输特性,从而制作满足实际需要的各种不同特性功能的器件,其中基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器在传感领域里占有十分重要的地位。正是因为光子晶体光纤设计自由度大和独特的物理特性以及导光优点,其在光纤通信、光纤传感等领域备受关注。而表面等离子体共振(SPR)传感技术在与人们生活密切相关的领域都有广泛的应用,如生物、化学、环境、医学等。本文以光子晶体光纤为研究对象,将光子晶体光纤与表面等离子体共振技术相结合应用于传感,提出了几种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器,利用全矢量有限元法对传感特性做了细致模拟和透彻的理论分析。本文的主要研究内容如下:1.文章首先对光子晶体光纤的概念和性质以及表面等离子体共振技术进行了简单的介绍,然后分析了近十年来基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感发展现状,接着提出本文的主要工作安排和创新点。2.介绍了基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感的基本理论和光子晶体光纤模拟的数值计算方法,并针对本文运用的全矢量有限元法和利用COMSOL Multiphysics软件的仿真分析过程着重描述。3.设计了一种PCF-SPR温度传感器,这个传感器使用的是新型的等离子体材料氮化钛,利用全矢量有限元法分析了该传感器的PCF结构参数及等离子体材料对传感特性的影响,通过结构优化最终得到传感器的温度灵敏度最高达到6.22nm/K,即在温度-19℃~-1℃范围内。4.设计了一种填充金线的双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,仿真得出不同波长下传感器的纤芯有效折射率的虚部值,进而计算损耗,通过损耗谱得到表面等离子体共振峰所处波长及传感器的灵敏度。待测生物液体样本不同的折射率,传输损耗谱共振峰所处的波长不同。优点是:该传感器将表面等离子共振技术与光子晶体光纤结合,平均灵敏度为-1.13714um/RIU;待测液体样本的折射率范围为1.38~1.43;结构简单,易于操作,在传感范畴有很大的实用远景。5.设计了一种填充金线的单芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器,采用全矢量有限元法,分析了光纤结构参数对传感特性的影响,研究了该光纤结构的x方向和y方向的模场分布及损耗谱。数值模拟分析表明:(1)平均灵敏度为-1.09143um/RIU;(2)待测液体样本的折射率范围为1.38~1.43;(3)在实际的应用中,可以根据实际的需求来选择参数的设置使其达到研究需要的性能指标。
[Abstract]:Photonic crystal fiber (PCF) is also called micro structure fiber or porous fiber, we can change the air hole diameter and air hole pitch, changing the transmission characteristics of the air hole shape, so as to meet the different properties of functional devices made by the actual needs, the photonic crystal fiber sensor based on surface plasmon resonance in the sensing field in occupies a very important position. It is because of the photonic crystal fiber design freedom and unique physical properties and advantages of light, in the optical fiber communication, optical fiber sensing and other fields has attracted much attention. The surface plasmon resonance (SPR) sensing technology is closely related with people's life in a wide range of applications, such as biological chemistry, environment, medicine, etc. based on photonic crystal fiber as the research object, the photonic crystal fiber with surface plasmon resonance technology is applied to the sensor, put forward Several kinds of photonic crystal fiber sensor based on surface plasmon resonance, a detailed and thorough theoretical simulation analysis of sensing characteristics using the full vector finite element method. The main research contents of this paper are as follows: 1.. Firstly, the concept and nature of the photonic crystal fiber and surface plasmon resonance technique are introduced, and then analyzes the over the past ten years based on the current situation of the photonic crystal fiber surface plasmon resonance sensor development, then put forward the main work and innovation points of this paper introduces the calculation method of.2. sensing of photonic crystal fiber surface plasmon resonance and the basic theory of photonic crystal fiber based on the numerical simulation, and the full vector finite element method and simulation analysis process of COMSOL software Multiphysics describes the.3. design of a PCF-SPR temperature sensor, the sensor The use of titanium nitride materials is the plasma model, by using a full vector finite element method to analyze the influence of structure parameters of PCF and plasma material of the sensor for sensing characteristics, through the structure optimization of final sensor temperature sensitivity up to 6.22nm/K, which is at a temperature of -19 DEG ~-1 DEG.4. within the scope of design of a filling wire dual core photonic crystal fiber surface plasmon resonance sensor, simulation results show that under different wavelength sensor core effective refractive index of the imaginary part of the value, and then calculates the loss through the loss spectrum sensitivity is obtained by the surface plasmon resonance peak at the wavelength and the sensor. The measured biological fluid samples of different refractive index, transmission loss at resonance wavelength. Advantage: the sensor surface plasmon resonance technology and photonic crystal fiber with an average sensitivity to -1.13714um/RIU; Measured index of liquid sample rate in the range of 1.38~1.43; has the advantages of simple structure, easy operation, in the category of sensor has great practical prospect.5. design of a gold filled single core photonic crystal fiber surface plasmon resonance sensor, using the finite element method, analyzes the influence of structure parameters on the optical fiber sensing characteristics, X is researched and the Y direction of the fiber structure of the mode field distribution and loss spectrum. Numerical simulation analysis shows that: (1) the average sensitivity of -1.09143um/RIU; (2) to be measured index of liquid sample rate in the range of 1.38~1.43; (3) in the actual application, can choose the parameters according to the actual demand to reach the set to study the performance index.
【学位授予单位】:天津理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253;TP212
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