本文關(guān)鍵詞： 光子晶體光纖 表面等離子體共振 全矢量有限元法 傳感器　出處：《天津理工大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：光子晶體光纖(PCF)又稱為微結(jié)構(gòu)光纖或多孔光纖,我們可以通過改變空氣孔直徑、空氣孔間距、空氣孔形狀來改變其傳輸特性,從而制作滿足實(shí)際需要的各種不同特性功能的器件,其中基于表面等離子體共振的光子晶體光纖傳感器在傳感領(lǐng)域里占有十分重要的地位。正是因?yàn)楣庾泳w光纖設(shè)計(jì)自由度大和獨(dú)特的物理特性以及導(dǎo)光優(yōu)點(diǎn),其在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域備受關(guān)注。而表面等離子體共振(SPR)傳感技術(shù)在與人們生活密切相關(guān)的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,如生物、化學(xué)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等。本文以光子晶體光纖為研究對(duì)象,將光子晶體光纖與表面等離子體共振技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于傳感,提出了幾種基于表面等離子體共振的光子晶體光纖傳感器,利用全矢量有限元法對(duì)傳感特性做了細(xì)致模擬和透徹的理論分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:1.文章首先對(duì)光子晶體光纖的概念和性質(zhì)以及表面等離子體共振技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹,然后分析了近十年來基于表面等離子體共振的光子晶體光纖傳感發(fā)展現(xiàn)狀,接著提出本文的主要工作安排和創(chuàng)新點(diǎn)。2.介紹了基于表面等離子體共振的光子晶體光纖傳感的基本理論和光子晶體光纖模擬的數(shù)值計(jì)算方法,并針對(duì)本文運(yùn)用的全矢量有限元法和利用COMSOL Multiphysics軟件的仿真分析過程著重描述。3.設(shè)計(jì)了一種PCF-SPR溫度傳感器,這個(gè)傳感器使用的是新型的等離子體材料氮化鈦,利用全矢量有限元法分析了該傳感器的PCF結(jié)構(gòu)參數(shù)及等離子體材料對(duì)傳感特性的影響,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化最終得到傳感器的溫度靈敏度最高達(dá)到6.22nm/K,即在溫度-19℃~-1℃范圍內(nèi)。4.設(shè)計(jì)了一種填充金線的雙芯光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器,仿真得出不同波長(zhǎng)下傳感器的纖芯有效折射率的虛部值,進(jìn)而計(jì)算損耗,通過損耗譜得到表面等離子體共振峰所處波長(zhǎng)及傳感器的靈敏度。待測(cè)生物液體樣本不同的折射率,傳輸損耗譜共振峰所處的波長(zhǎng)不同。優(yōu)點(diǎn)是:該傳感器將表面等離子共振技術(shù)與光子晶體光纖結(jié)合,平均靈敏度為-1.13714um/RIU;待測(cè)液體樣本的折射率范圍為1.38~1.43;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于操作,在傳感范疇有很大的實(shí)用遠(yuǎn)景。5.設(shè)計(jì)了一種填充金線的單芯光子晶體光纖表面等離子體共振傳感器,采用全矢量有限元法,分析了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感特性的影響,研究了該光纖結(jié)構(gòu)的x方向和y方向的模場(chǎng)分布及損耗譜。數(shù)值模擬分析表明:(1)平均靈敏度為-1.09143um/RIU;(2)待測(cè)液體樣本的折射率范圍為1.38~1.43;(3)在實(shí)際的應(yīng)用中,可以根據(jù)實(shí)際的需求來選擇參數(shù)的設(shè)置使其達(dá)到研究需要的性能指標(biāo)。
[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.

【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN253;TP212

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