PCF-SPR传感器的设计优化及传感特性研究

发布时间：2020-07-19 15:55

【摘要】：近年来,光子晶体光纤表面等离子体共振(PCF-SPR)传感器凭借其优异的传感性能在生命科学、药物筛选、分子识别以及免疫测定等领域表现出来巨大的应用潜力,因而受到科研工作者的广泛关注。本文利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics数值仿真软件,从结构创新和方法创新的角度设计了三种类型的PCF-SPR传感器,并对它们的结构参数和传感特性进行深入的分析。提出一种互相对称的双D型PCF-SPR传感器。结果表明,两根PCF之间的能量定向耦合可以明显提升PCF-SPR传感器的性能指标。本课题研究了结构参数对所设计的传感器性能的影响以及共振波长和待测溶液折射率之间的关系。在1.36到1.41的待测溶液折射率范围内,平均光谱灵敏度可以达到14660 nm/RIU,相应的待测溶液折射率分辨率为6.82×10~(-6) RIU。作为比较,本文还对结构参数相同的单D型PCF-SPR传感器的特性进行了研究。对比之后发现,双D型PCF-SPR传感器在光谱灵敏度、折射率分辨率、振幅灵敏度以及品质因子等几个方面都具有明显的优势。提出一种工作在近红外波段的八芯PCF-SPR传感器。通过有限元法研究了其损耗特性,建模时添加了完美匹配层作为边界条件。利用基模的损耗谱研究了结构参数对传感器性能的影响,并且得到了待测溶液折射率与与共振波长之间的关系。传感器的工作波长范围是800 nm到1300 nm,折射率检测范围为1.395到1.425,在该范围内,平均光谱灵敏度为12592.86 nm/RIU,相应的折射率分辨率为7.94×10~(-6) RIU。最大光谱灵敏度和最大品质因子分别为22807.14 nm/RIU和595.78。提出一种空气孔呈正方形排列的非对称双折射PCF-SPR传感器。该传感器主要是用来检测低折射率范围的待测溶液。本设计中使用了双折射分析法,结果表明,在非对称PCF-SPR结构的研究过程中,双折射分析法可以代替传统的限制性损耗谱分析法。该传感器的空气孔按正方形晶体结构排列,并且用于激发SPR的两个等离子体活性金薄膜被沉积在左右两个通道内壁。分析表明,该传感器具有1到1.43的超宽折射率检测范围,其最大光谱灵敏度为6300 nm/RIU。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

光子晶体光纤

第一章绪论光子晶体光纤概述光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）具有高非线性、无截止单模以及等特性，为光纤激光器和光纤传感等领域带来了新的可能和机遇[1-4]。1987 年n[5]和 E. Yablonovitch[6]提出了光子晶体的概念。光子晶体（Photonic Crystal）是材料，特点是在空间上折射率周期性分布[7]。光子晶体光纤是依托光纤特性将的特点引入其中，从而开辟出的一个新的研究领域。P. S. J. Russell[8]在 1992 年了光子晶体光纤的概念，并对其光学特性进行了分析。这种新概念的光纤结构通光纤发展的局限性提供了新的解决思路，掀起科研工作者们的研究热潮。光子晶体光纤本质上是一种二维光子晶体，其构成主要有两部分，第一部分是材料，常见背景材料有纯净二氧化硅、掺杂二氧化硅以及聚合物等，第二部分列的微米级空气孔柱[9-12]。根据 PCF 的导光机制，可将其分为折射率引导型IR-PCF）和光子带隙型 PCF（PBG-PCF）两种类型。

不均匀分布,棱镜,原作

为生物传感等领域提供了广阔的发展空间[20-22]。将金属表面绕在正电荷背景下的理想电子气体，即一种等离子体。当受到外界电磁会远离斥力和引力的平衡位置，由于电荷之间库仑力的影响，这些电振荡的现象，并且是反复进行，该现象被称为等离子体振荡，所产生子体波（surface plasmon wave，SPW）[23-25]。光密介质进入光疏介质，当入射角大于或等于临界角时，会发生全反角度分析，有一部分能量以消逝波[26]的形式进入光疏介质内。若在光镀上金属膜，消逝波就会与等离子体波相遇，当两种波的波矢满足一定共振，即表面等离子体共振[27-30]。 1902 年，R. W. Wood[31]在研究光栅衍射光谱的不均匀分布时，就已子体共振现象，但他并没有对其进行深入分析。1941 年，美国的 U. 发现的现象从电子和电磁波的角度进行了解释，使表面等离子体共振视野。但这一现象始终停留在理论阶段，没有向实践迈进。直到 196者 A. Otto[33]设计出第一个基于 SPR 的传感结构，并从理论上解释了R 的机制，这无疑是 SPR 领域的一个新纪元，标志着 SPR 从理论向实践

棱镜,原作,金属薄膜

东北石油大学硕士研究生毕业论文内，在后来对这类结构的研究中，多为几十纳米。SPR 发生在金属-介质界面上，而 O结构中，消逝波无需穿过金属薄膜即可到达该界面，与 SPW 发生共振，故 Otto 结构大的优点为金属薄膜厚度对传感特性的影响非常小，这就降低了在实际应用中对镀膜艺的要求。Otto 结构虽然对金属膜厚度的要求较低，但是却增加了结构整体复杂度以及封装度。1971 年，E. Kretschmann[34]对其进行了改进，提出金属膜沉积在棱镜表面的 SPR 感结构。图 1.3(a)为 Kretschmann 最初设计的结构，(b)为简化后的结构。在这种结构中金属膜被直接镀在棱镜表面，大大降低了结构复杂度，但是由于消逝波具有一定穿透度，所以需要考虑金属膜的厚度问题，也对镀膜工艺有了更高要求。本文中所设计的种传感器实际上都是 Kretschmann 型 PCF-SPR 结构。

【参考文献】