论文部分内容阅读
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器具有无需标记、能在线实时检测等优点,可广泛应用于环境、农业、医疗以及食品安全等检测领域。提高传感器的灵敏度、结构简单并使传感器工作在可见光和近红外波段是SPR技术研究领域长久以来的研究目标。 本文在总结了国内外光纤SPR传感器的研究现状后,以提高传感器的性能为研究目标,提出了基于侧边抛磨双模光纤的SPR传感器。分别以金(Au)和氧化铟锡(ITO)作为薄膜材料,进行了传感器的仿真设计和优化,以及实际制作和性能测试等方面的研究。 本文的具体研究工作总结如下: (1)基于金膜的侧边抛磨双模光纤的SPR传感器研究(SPTMF/Au-SPR)。首先,利用有限元法完成了器件的仿真分析和优化设计,仿真结果表明当光纤剩余厚度为72μm、金膜厚度为40nm时,在1.333-1.390RIU折射率范围内可得到最大的3705nm/RIU的平均灵敏度。其次,实验制作并测试了6只SPTMF/Au-SPR传感器,其光纤剩余厚度分别为69.79、71.23、72.24、69.89、71.31和72.34μm,金膜厚度均为40nm。测试结果表明在1.333-1.404RIU的折射率范围内,光纤剩余厚度为72.24μm所对应的传感器具有最高的灵敏度即2679.1nm/RIU,且半高全宽为82nm,则相应的品质因数为32.67RIU-1。其性能相比于同课题组的基于多模光纤和单模光纤的SPR传感器具有显著提高:灵敏度分别提高了11.95%和36.6%,半高全宽分别降低了20.38%和34.40%,品质因数分别提高了40.64%和108.35%。 (2)基于氧化铟锡的侧边抛磨双模光纤的SPR传感器研究(SPTMF/ITO-SPR)。首先,利用有限元法完成了器件的仿真分析以及优化设计。最优参数为:光纤剩余厚度为72μm,ITO厚度为150nm。此时在1.333-1.39RIU的折射率范围内,LP01和LP11a模式的平均灵敏度分别高达10400nm/RIU和10150nm/RIU。然后,实验制作并测试了6只SPTMF/ITO-SPR传感器,其光纤剩余厚度分别为69.23、70.19、70.87、71.34、71.96和72.24μm,ITO厚度均为150nm。测试结果表明当ITO靶材颗粒的纯度为99.99%、密度为7.1g/cm3时,光纤剩余厚度为72.24μm所对应的传感器具有最高性能,在1.333-1.360RIU的折射率范围内其平均灵敏度最高达到2128.76nm/RIU。 本文的创新之处: (1)本文提出SPTMF/SPR传感器,以侧边抛磨双模光纤为基底的光纤SPR传感器,它具有结构简单、传输模式个数有限、有效面积大和模式耦合可控制等优点。 (2)本文提出的SPTMF/Au-SPR传感器,相比于基于侧边抛磨单模光纤和侧边抛磨多模光纤的SPR传感器,在灵敏度、半高宽和品质因数等方面均有显著提高。 (3)本文提出的SPTMF/ITO-SPR传感器,以ITO作为膜层材料,可有效避免传统的金属膜在空气中被氧化的缺点,同时有效提高传感器的灵敏度;另外,可将谐振波长调节至近红外的通信波段,便于与现有的通信设备融合,在长距离传输、成本的降低等方面具有潜在优势。