【摘要】：近年來(lái),光子晶體光纖表面等離子體共振(PCF-SPR)傳感器憑借其優(yōu)異的傳感性能在生命科學(xué)、藥物篩選、分子識(shí)別以及免疫測(cè)定等領(lǐng)域表現(xiàn)出來(lái)巨大的應(yīng)用潛力,因而受到科研工作者的廣泛關(guān)注。本文利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics數(shù)值仿真軟件,從結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和方法創(chuàng)新的角度設(shè)計(jì)了三種類型的PCF-SPR傳感器,并對(duì)它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳感特性進(jìn)行深入的分析。提出一種互相對(duì)稱的雙D型PCF-SPR傳感器。結(jié)果表明,兩根PCF之間的能量定向耦合可以明顯提升PCF-SPR傳感器的性能指標(biāo)。本課題研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的傳感器性能的影響以及共振波長(zhǎng)和待測(cè)溶液折射率之間的關(guān)系。在1.36到1.41的待測(cè)溶液折射率范圍內(nèi),平均光譜靈敏度可以達(dá)到14660 nm/RIU,相應(yīng)的待測(cè)溶液折射率分辨率為6.82×10~(-6) RIU。作為比較,本文還對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的單D型PCF-SPR傳感器的特性進(jìn)行了研究。對(duì)比之后發(fā)現(xiàn),雙D型PCF-SPR傳感器在光譜靈敏度、折射率分辨率、振幅靈敏度以及品質(zhì)因子等幾個(gè)方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。提出一種工作在近紅外波段的八芯PCF-SPR傳感器。通過(guò)有限元法研究了其損耗特性,建模時(shí)添加了完美匹配層作為邊界條件。利用基模的損耗譜研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳感器性能的影響,并且得到了待測(cè)溶液折射率與與共振波長(zhǎng)之間的關(guān)系。傳感器的工作波長(zhǎng)范圍是800 nm到1300 nm,折射率檢測(cè)范圍為1.395到1.425,在該范圍內(nèi),平均光譜靈敏度為12592.86 nm/RIU,相應(yīng)的折射率分辨率為7.94×10~(-6) RIU。最大光譜靈敏度和最大品質(zhì)因子分別為22807.14 nm/RIU和595.78。提出一種空氣孔呈正方形排列的非對(duì)稱雙折射PCF-SPR傳感器。該傳感器主要是用來(lái)檢測(cè)低折射率范圍的待測(cè)溶液。本設(shè)計(jì)中使用了雙折射分析法,結(jié)果表明,在非對(duì)稱PCF-SPR結(jié)構(gòu)的研究過(guò)程中,雙折射分析法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的限制性損耗譜分析法。該傳感器的空氣孔按正方形晶體結(jié)構(gòu)排列,并且用于激發(fā)SPR的兩個(gè)等離子體活性金薄膜被沉積在左右兩個(gè)通道內(nèi)壁。分析表明,該傳感器具有1到1.43的超寬折射率檢測(cè)范圍,其最大光譜靈敏度為6300 nm/RIU。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

第一章 緒論 光子晶體光纖概述光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber，PCF）具有高非線性、無(wú)截止單模以及等特性，為光纖激光器和光纖傳感等領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能和機(jī)遇[1-4]。1987 年n[5]和 E. Yablonovitch[6]提出了光子晶體的概念。光子晶體（Photonic Crystal）是材料，特點(diǎn)是在空間上折射率周期性分布[7]。光子晶體光纖是依托光纖特性將的特點(diǎn)引入其中，從而開辟出的一個(gè)新的研究領(lǐng)域。P. S. J. Russell[8]在 1992 年了光子晶體光纖的概念，并對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行了分析。這種新概念的光纖結(jié)構(gòu)通光纖發(fā)展的局限性提供了新的解決思路，掀起科研工作者們的研究熱潮。光子晶體光纖本質(zhì)上是一種二維光子晶體，其構(gòu)成主要有兩部分，第一部分是材料，常見背景材料有純凈二氧化硅、摻雜二氧化硅以及聚合物等，第二部分列的微米級(jí)空氣孔柱[9-12]。根據(jù) PCF 的導(dǎo)光機(jī)制，可將其分為折射率引導(dǎo)型IR-PCF）和光子帶隙型 PCF（PBG-PCF）兩種類型。

為生物傳感等領(lǐng)域提供了廣闊的發(fā)展空間[20-22]。將金屬表面繞在正電荷背景下的理想電子氣體，即一種等離子體。當(dāng)受到外界電磁會(huì)遠(yuǎn)離斥力和引力的平衡位置，由于電荷之間庫(kù)侖力的影響，這些電振蕩的現(xiàn)象，并且是反復(fù)進(jìn)行，該現(xiàn)象被稱為等離子體振蕩，所產(chǎn)生子體波（surface plasmon wave，SPW）[23-25]。光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于或等于臨界角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反角度分析，有一部分能量以消逝波[26]的形式進(jìn)入光疏介質(zhì)內(nèi)。若在光鍍上金屬膜，消逝波就會(huì)與等離子體波相遇，當(dāng)兩種波的波矢滿足一定共振，即表面等離子體共振[27-30]。 1902 年，R. W. Wood[31]在研究光柵衍射光譜的不均勻分布時(shí)，就已子體共振現(xiàn)象，但他并沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行深入分析。1941 年，美國(guó)的 U. 發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象從電子和電磁波的角度進(jìn)行了解釋，使表面等離子體共振視野。但這一現(xiàn)象始終停留在理論階段，沒(méi)有向?qū)嵺`邁進(jìn)。直到 196者 A. Otto[33]設(shè)計(jì)出第一個(gè)基于 SPR 的傳感結(jié)構(gòu)，并從理論上解釋了R 的機(jī)制，這無(wú)疑是 SPR 領(lǐng)域的一個(gè)新紀(jì)元，標(biāo)志著 SPR 從理論向?qū)嵺`

東北石油大學(xué)碩士研究生畢業(yè)論文內(nèi)，在后來(lái)對(duì)這類結(jié)構(gòu)的研究中，多為幾十納米。SPR 發(fā)生在金屬-介質(zhì)界面上，而 O結(jié)構(gòu)中，消逝波無(wú)需穿過(guò)金屬薄膜即可到達(dá)該界面，與 SPW 發(fā)生共振，故 Otto 結(jié)構(gòu)大的優(yōu)點(diǎn)為金屬薄膜厚度對(duì)傳感特性的影響非常小，這就降低了在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)鍍膜藝的要求。Otto 結(jié)構(gòu)雖然對(duì)金屬膜厚度的要求較低，但是卻增加了結(jié)構(gòu)整體復(fù)雜度以及封裝度。1971 年，E. Kretschmann[34]對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出金屬膜沉積在棱鏡表面的 SPR 感結(jié)構(gòu)。圖 1.3(a)為 Kretschmann 最初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，(b)為簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中金屬膜被直接鍍?cè)诶忡R表面，大大降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，但是由于消逝波具有一定穿透度，所以需要考慮金屬膜的厚度問(wèn)題，也對(duì)鍍膜工藝有了更高要求。本文中所設(shè)計(jì)的種傳感器實(shí)際上都是 Kretschmann 型 PCF-SPR 結(jié)構(gòu)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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本文編號(hào)：2762629