基于微结构光纤大范围探测SPR传感器的研究

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表面等离子共振技术是一种很有前途和强大的光学检测技术,具有对金属表面分析物折射率的变化极其敏感的特性,结合无标签传感、快速响应和高灵敏度等优点,在食品质量控制、环境监测、医疗卫生和生物化学等领域得到了广泛的应用。随着微结构光纤表面等离子共振传感器如火如荼的发展,更大范围的折射率探测是目前的需求。因此,获得超宽探测范围和更高灵敏度的微结构光纤表面等离子共振传感器具有重要意义。本文主要利用有限元方法对微结构光纤大范围探测表面等离子共振传感器进行研究,同时为了解决传感器的制造困难的问题,在开口型和双侧抛光型微结构光纤的基础上提出了以下三种基于微结构光纤大范围探测表面等离子共振传感器。(1)基于双芯开口型具有大探测范围和线性灵敏度的微结构光纤表面等离子共振传感器。开口部分作为传感通道,这可以促进金镀层的形成和加速分析物的渗透,还为实时传感或分布式传感提供了可能。此外,在纤芯中引入小空气孔,以降低纤芯模式的平均折射率,这有助于纤芯模式与SPP模式的共振耦合。数值结果表明,该传感器的灵敏度曲线在分析物折射率为1.33-1.46和1.46-1.61的两个范围内呈近似线性特征,并在分析物与背景材料的折射率接近时,达到最大灵敏度4 900 nm/RIU。(2)基于H型大探测范围的微结构光纤表面等离子共振传感器。传感器在开口槽表面镀金膜,大大降低了制造的复杂性,并提供了重复使用的能力。传感器可以在较大的分析物折射率范围(1.33-1.49)内正常工作,并在折射率范围为1.47-1.48时达到最大灵敏度25 900 nm/RIU。同时,考虑了金膜厚度的制造公差对传感器性能的影响,结果显示,传感器在金膜厚度±10%范围的制造公差下表现出良好的稳定性。(3)基于双侧抛光的双芯微结构光纤表面等离子共振传感器。金作为等离子体材料镀在双侧抛光面上,分析物可以直接与金膜直接接触。固定背景材料的折射率为1.45,传感器可以在1.42-1.46的折射率范围内正常工作,这是其他传统微结构光纤表面等离子共振传感器无法测量的范围。此外,由于x-奇模式的峰值扰乱了表面等离子共振传感器的规律性,所以只对x-偶模式进行分析。详细的数值结果表明,该传感器在分析物折射率范围1.35-1.47内均能有效工作,并在1.42-1.43时具有较高的波长灵敏度和幅度灵敏度。
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