基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率与温度双参量传感器研究

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光纤传感器具备了结构紧凑、制造工序较为简单、检测结果精确等优点,在生物样本检验、药物分析、食品安全测试等领域中使用普遍。其中,光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)具备产品质量轻、体积小、抗电磁干扰等优点。而且,金属表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)效应与光纤制备技术的融合,为获得高灵敏度、高可靠性,小型化、易于集成化的电子传感器技术提出了全新的研发思想,也提供了新的开发空间。本文采用了一个三角形晶格的三层气孔构造的PCF-SPR传感器,从PCF传感器基本原理入手,通过Comsol Mutiphysics5.4构建了PCF的2D模型,并对其特征进行模拟研究,从而实现了对折射率和工作温度等双参量的同时传感,研究成果如下:(1)鉴于PCF的制备与内部结构对PCF性能参数的影响,设计了优化流程,先后对金纳米线、空气孔间距、中心孔、中心孔两侧孔进行了参数优化,得到两种高灵敏度、高线性度的PCF结构。两种结构可探测折射率范围均为1.35~1.45,结构1:中心孔dc=2.0μm的PCF结构,y方向的灵敏度为-5839nm/RIU,线性度为0.99934,结构2:中心孔两侧气孔dlr=2.0μm的PCF结构,y方向的灵敏度为-4250nm/RIU,线性度为0.9989。(2)通过对上述两种结构的参数对比,选择了一种具有良好品质因数(FOM)的结构,其可对折射率和温度进行同时传感。通过仿真实验数据分析,得到结构1在酒精折射率变化时,传输损耗灵敏度为-2640.3dB/RIU,共振波长灵敏度为-6015.4nm/RIU,在温度在20-80℃时,传输损耗灵敏度为1.0375dB/℃,共振波长损耗灵敏度为0.6796nm/℃,经过计算得到传输矩阵。最后设计了仿真实验系统,可以通过测量共振波长的变化量和传输损耗的变化量,来得到中心孔折射率的变化和外界温度的变化,实现双参量的同时传感。仿真结果表明,该传感器具有灵敏度高、器件尺寸小、加工公差好、测量范围大等优点。本实验为PCF-SPR的结构优化提供了一种有效的思路,并为PCF-SPR双参量传感的研究提供了一定的仿真实验基础。
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