【摘 要】
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表面等离子体共振技术作为一种直接检测技术,广泛应用于传感领域。光子晶体光纤具有多变、可控的结构和优良特性,因此成为光纤传感领域的研究热点。本文设计出一种新型光子晶体光纤,然后将其与金属表面等离子体共振技术结合生成传感器,并且分析了新型光子晶体光纤的基本特性和基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的传感特性。本文的主要内容为:1、介绍了光子晶体光纤的研究现状和分类,着重介绍了光子晶体光纤的基本特性
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表面等离子体共振技术作为一种直接检测技术,广泛应用于传感领域。光子晶体光纤具有多变、可控的结构和优良特性,因此成为光纤传感领域的研究热点。本文设计出一种新型光子晶体光纤,然后将其与金属表面等离子体共振技术结合生成传感器,并且分析了新型光子晶体光纤的基本特性和基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的传感特性。本文的主要内容为:1、介绍了光子晶体光纤的研究现状和分类,着重介绍了光子晶体光纤的基本特性;然后简要概述了基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的研究现状和检测机理。2、介绍了光子晶体光纤的几种常用数值分析方法,重点介绍了有限元法以及利用有限元法求解光子晶体光纤的基本步骤;然后根据麦克斯韦方程组推导出电磁波的边界条件;再根据光的全反射和倏逝波理论得到表面等离子体共振技术的原理;最后介绍了COMSOL Multiphysics仿真软件以及使用软件进行数值模拟的基本步骤。3、设计出一种新结构的光子晶体光纤,其包层由圆形空气孔和三种不同大小的椭圆形空气孔组成;讨论了新型光子晶体光纤基本特性与工作波长的关系;然后利用控制变量法,讨论了在同一工作波长下,孔间距、椭圆孔的椭圆率和椭圆孔的位置分别对光子晶体光纤基本特性的影响。最后通过优化光子晶体光纤的结构参数,发现该光子晶体光纤具有低损耗、低非线性效应,能够长距离稳定的传输光波,即当工作波长为1550nm处,光子晶体光纤的非线性系数小于10km-1W-1,两种正交偏振模的限制损耗分别为Lossx=3.06×10-11d B/cm、Lossy=5.19×10-11d B/cm。4、设计出一种基于表面等离子体共振的椭圆侧芯光子晶体光纤传感器,在左侧椭圆孔内涂敷金纳米薄膜并填充待测液体,使其作为检测通道;讨论了在不同待测液体折射率下的纤芯损耗的变化情况;讨论了当待测液体折射率处于1.32～1.43范围内时,圆形孔直径、孔间距、椭圆率和金纳米薄膜的厚度分别对传感器灵敏度的影响。研究发现该传感器在折射率处于1.38～1.43范围内具有高灵敏度,最高可达34600nm/RIU,在高灵敏度传感器领域具有较大的参考价值。
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