基于D型光子晶体光纤表面等离子体共振折射率传感器的研究

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本文对基于D型光子晶体光纤的表面等离子体共振的折射率传感器进行了研究,从表面等离子体共振和表面等离子体共振传感性能增强方法的角度出发,通过有限元法仿真分析了传感器的各项参数对传感性能的影响。本文的主要研究成果如下:1、利用COMSOL Multiphysic商用软件中的有限元法,分析了基于双层气孔的D型光子晶体光纤SPR(Surface Plasmon Resonance)传感器。首先设计一种双层正六边形气孔排布的D型光子晶体光纤SPR传感器结构。分别分析了双层气孔D型光子晶体光纤SPR传感器的最佳结构参数值和传感器的性能,研究其限制损耗及共振波长的变化规律和结构参数对传感灵敏度的影响。在参数优化之后,得到传感器的折射率测量范围是1.26-1.38,共振峰向长波方向移动,移动距离也逐渐增加,这也代表灵敏度在逐渐增大。在分析物折射率为1.38处,得到最大灵敏度为5626.86nm/RIU,最大分辨率为1.78×10-5RIU。2、在第一种方案基础上,提出了一种多层气孔D型光子晶体光纤SPR传感器,增加一层空气孔以增强包层气孔对纤芯能量的约束能力,从而增强SPR效应,最终提高传感器的灵敏度。利用COMSOL Multiphysics商用软件中的有限元法,分别分析了多层气孔D型光子晶体光纤SPR传感器的最佳结构参数值和传感器的性能,研究其限制损耗及共振波长的变化规律和结构参数对传感灵敏度的影响。当折射率从1.30增加到1.35时,共振峰向长波方向移动。在分析物折射率为1.35处,得到传感器的最大灵敏度18139.37 nm/RIU和最大分辨率5.5×10-6RIU,同时传感器的平均灵敏度10683.3 nm/RIU。3、设计了一种高双折射的D型光子晶体光纤SPR折射率传感器,利用高双折射光子晶体光纤的纤芯在x和y方向不对称性的特性,以加强在y极化纤芯模式与表面等离子体波的共振,最终达到提高传感器灵敏度的目的。利用COMSOL Multiphysics商用软件中的有限元法,首先分析在五个气孔中镀膜存在的不同情况,分析最适合传感的镀膜方式。之后分别分析了高双折射D型光子晶体光纤SPR传感器的最佳结构参数值和传感器的性能,研究其限制损耗及共振波长的变化规律和结构参数对传感灵敏度的影响,得到传感的最佳结构参数。传感器的折射率检测范围为1.30-1.37,在折射率为1.37时,最大灵敏度为19288 nm/RIU,最大分辨率为5.18×10-6RIU。
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