基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器研究

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光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF)由于其独特的性能逐渐成为研制光学传感器的热点,它可通过灵活设计空气孔的尺寸和排列方式获得不同于传统光纤的性质,而且还可以在空气孔内插入功能材料应用于传感领域。近年来,光子晶体光纤与表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术相结合,在传感领域的应用受到广泛的关注,广泛应用于折射率,温度等参数的检测。本文首先从理论出发设计了相应的折射率和温度传感器,并通过仿真计算优化光子晶体光纤的结构进而提升传感器的性能。在理论计算的基础上成功拉制所需的光子晶体光纤,并通过实验验证所设计光纤传感器的性能。具体研究内容如下:(1)全面概括了光子晶体光纤和表面等离子体共振的基本概念和近年来的国内外研究进展,并分析对比了不同种类的基于表面等立体共振光子晶体光纤传感器的优缺点,详细分析了传感器的工作原理,为SPR传感器的实现奠定了良好的理论基础。(2)实验总结归纳了光子晶体光纤制备的整体制备流程,在拉制柚子型光子晶体光纤的过程中引入了二次拉制和精密加压设备,对制备光子晶体光纤的方法进行了改进,成功拉制出符合尺寸的柚子型光子晶体光纤,为SPR传感器的实现提供了载体。(3)提出了一种在光子晶体光纤外部镀金的折射率传感器,利用有限元的方法对其传感特性进行了分析研究。其结果表明金膜的厚度、分析物折射率的变化以及中心孔半径的大小会影响传感器的传感性能。通过不断优化传感器的结构,在分析物折射率为1.35到1.395之间时,最大波长灵敏度可达到11000nm/RIU,振幅灵敏度可达到641RIU-1,可应用于生物和化学种类和浓度的检测。(4)提出了一种基于表面等离子体共振的柚子型光子晶体光纤温度传感器。利用大气压强和毛细管力的作用将银纳米线悬浮液填充入柚子型光子晶体光纤的空气孔。研究了银纳米线状态对实验的影响,并通过熔接光纤的方法避免银纳米线状态的变化对实验的影响,同时完成对温度参数的检测。该传感器实验灵敏度为-160pm/℃,有良好的线性响应特性和稳定性,可为基于光子晶体光纤的SPR传感器的实现和应用提供参考。
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