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基于納米金結(jié)構(gòu)的側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器設(shè)計

發(fā)布時間:2018-01-15 15:10

  本文關(guān)鍵詞:基于納米金結(jié)構(gòu)的側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器設(shè)計 出處:《暨南大學(xué)》2015年碩士論文 論文類型:學(xué)位論文


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【摘要】:以側(cè)邊拋磨光纖為導(dǎo)波載體,利用光纖拋磨區(qū)的倏逝場來激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng)(Surface Plasmon Resonance,SPR)制成的新型傳感器,具有靈敏度更高、集成性好、能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時遠(yuǎn)距離監(jiān)測等特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)、物理檢測、環(huán)境污染等方面。但影響側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器性能的因素有很多,例如側(cè)邊拋磨光纖的拋磨長度、剩余光纖厚度、金屬膜厚度以及金屬膜結(jié)構(gòu)等。對于這些影響因素的分析,有助于提高傳感器的系統(tǒng)性能,并為進(jìn)一步研究發(fā)展新的傳感器設(shè)計方案。為此,本文首先總結(jié)了基于側(cè)邊拋磨光纖的SPR傳感器研究現(xiàn)狀和存在問題,然后系統(tǒng)研究了側(cè)邊拋磨光纖的種類和結(jié)構(gòu)參數(shù),以及激勵金屬結(jié)構(gòu)和參數(shù)對于光纖SPR傳感器的影響,并分別提出了最優(yōu)化設(shè)計方案。本文的具體內(nèi)容如下:第一、綜述了SPR的發(fā)展歷程和基本概念,引入了光纖SPR傳感器,分析總結(jié)了基于側(cè)邊拋磨光纖的SPR傳感器發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題,并由此提出本文的主要研究內(nèi)容。第二、介紹了幾種分析光纖SPR的解析方法和數(shù)值模擬方法,重點(diǎn)介紹了本文所選用的有限元法。然后描述基于有限元法的仿真軟件COMSOL Multiphysics的建模步驟及參數(shù)設(shè)置。最后討論金的折射率色散關(guān)系,為后續(xù)模擬計算做準(zhǔn)備。第三、針對側(cè)邊拋磨小芯徑光纖和側(cè)邊拋磨大芯徑光纖,分別研究了納米金膜的厚度、側(cè)邊拋磨光纖的剩余厚度、模式階數(shù)等參量對傳感器性能的影響,從而得出最佳參數(shù)。依據(jù)所計算的最佳參數(shù)制作側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器,完成了對傳感器的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,并與理論結(jié)果進(jìn)行對比分析。第四、針對激勵金屬結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了納米金圓柱、納米金方柱和納米金三角形柱三種情況下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),并在最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上仿真模擬了傳感器的靈敏度、半高寬和品質(zhì)因數(shù)。研究發(fā)現(xiàn):相對于傳統(tǒng)的納米金屬膜結(jié)構(gòu)的光纖SPR傳感器,納米金柱陣列均能在不同程度增強(qiáng)側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器的靈敏度。第五、總結(jié)本論文工作,指出存在的不足之處,并提出進(jìn)一步完善的建議。本文的創(chuàng)新之處在于:第一、系統(tǒng)研究了納米金柱陣列的側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器新結(jié)構(gòu),通過理論仿真得出該結(jié)構(gòu)能夠提高側(cè)邊拋磨光纖SPR傳感器的靈敏度。第二、提出并建立了基于納米金三角形柱陣列的SPR傳感器。該傳感結(jié)構(gòu)能夠同時實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)入x子體的高靈敏度和局域等離子體的高線性度和大測量動態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn),具有重要的研究意義和實(shí)用價值。
[Abstract]:The surface Plasmon Resonance is excited by the evanescent field in the polishing area using the side-polished fiber as the guiding wave carrier. The new sensor made by SPRA has the advantages of higher sensitivity, better integration, and the ability to realize real-time remote monitoring, which has been widely used in biomedical and physical detection. However, there are many factors that affect the performance of the side-polishing fiber SPR sensor, such as the polishing length of the side-polishing fiber and the thickness of the remaining fiber. The analysis of these influencing factors will help to improve the system performance of the sensor and develop a new sensor design scheme for further research. This paper first summarizes the research status and existing problems of SPR sensor based on side-polishing optical fiber, and then systematically studies the types and structural parameters of side-polishing fiber. And the influence of the excitation metal structure and parameters on the optical fiber SPR sensor, and put forward the optimal design scheme respectively. The specific contents of this paper are as follows: first, the development history and basic concepts of SPR are summarized. This paper introduces optical fiber SPR sensor, analyzes and summarizes the development status and existing problems of SPR sensor based on side-polishing optical fiber, and puts forward the main research content of this paper. Second. Several analytical methods and numerical simulation methods for analyzing optical fiber SPR are introduced. The finite element method selected in this paper is introduced emphatically, and then the simulation software COMSOL based on finite element method is described. Modeling steps and parameter setting of Multiphysics. Finally, the refractive index dispersion relationship of gold is discussed. Preparation for the subsequent simulation. Third, the thickness of nanocrystalline gold film and the residual thickness of side-edge polishing fiber are studied for side-polishing small-diameter fiber and side-polishing large-diameter fiber respectively. The influence of mode order and other parameters on the performance of the sensor is obtained, and the optimal parameters are obtained. According to the calculated optimal parameters, the optical fiber SPR sensor with side-polishing is fabricated, and the experimental calibration of the sensor is completed. And compared with the theoretical results. 4th, in view of the excited metal structure, the optimal structural parameters of nanoscale gold column, nano-gold square column and nano-gold triangular column are systematically studied. The sensitivity, half-maximum width and quality factor of the sensor are simulated on the basis of the optimal structure parameters. It is found that the fiber optic SPR sensor is compared with the traditional nano-metal film structure. Nanocrystalline gold column arrays can enhance the sensitivity of side-polishing optical fiber SPR sensors in varying degrees. 5th. This paper summarizes the work of this paper and points out the shortcomings. The innovations of this paper are as follows: first, the new structure of the side-polishing optical fiber SPR sensor of nano-#china_person0# array is studied systematically. The theoretical simulation results show that the structure can improve the sensitivity of the side polishing optical fiber SPR sensor. Second. A SPR sensor based on nanoscale gold triangular column array is proposed and established. The sensor structure can simultaneously realize the high sensitivity of transmitting plasma and the advantages of high linearity and large measurement dynamic range of local plasma. . It has important research significance and practical value.
【學(xué)位授予單位】:暨南大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號】:TN253

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號:1428875

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