基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器的设计

• 作 者: 魏方皓
• 出 处: 中国矿业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 光子晶体光纤 表面等离子体共振 温度传感 气体传感

多种多样的几何结构与独特的光学特性使得光子晶体光纤在光纤传感领域显示出了极佳的科研价值与应用前景。尤其是基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感器。实时传感灵敏度高、监测样品需求量小等优异的特点使得其逐步成为了生化检测、气体传感、温度监测、食品安全等领域的研究重点。论文的主要内容包括:（1）为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的低折射率高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率型传感器。通过改变内部空气孔的排列,使之达到双芯传输的效果。同时在光纤外壁与圆形待测物通道接触的部分放置金纳米探针。探针型结构有利于加快表面等离子体共振反应。利用有限元矢量软件COMSOL对PCF-SPR传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对PCF-SPR传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.21¹.25,可以得到最大光谱灵敏度为11000 nm/RIU,最大振幅灵敏度为205.9RIU^-1,探针折射率精度为1.8×10^-55 RIU。（2）针对光纤温度传感装置普遍结构复杂且灵敏度偏低的问题,提出并仿真验证了一种具有高灵敏度的椭圆形气孔温度传感装置。利用表面等离子体技术与光纤温度传感技术相结合实现温度传感。在光纤外侧包覆一层金属膜,使用氯仿酒精混合物作为温度感应物质,通过有限元矢量软件COMSOL进行模拟仿真。仿真结果表明,当入射波长由0.5μm增加到1.0μm时,其温度测量区间为-20¹20℃,可以得到最大温度灵敏度6 nm/℃,最大振幅灵敏度为1337.12 RIU^-1,测量精度为2.85×10^-55 RIU。（3）将表面等离子体技术与光纤传感技术相结合,提出并仿真验证了一种具有高灵敏度的D型、基于表面等离子体共振的光子晶体光纤甲烷气体体积浓度传感器。在D型光纤的抛磨表面外侧沉积金属纳米条。甲烷敏感材料涂覆于光纤抛磨表面外侧与金属外表面。D型结构使得甲烷敏感材料与甲烷气体可以充分反应。通过有限元矢量软件COMSOL进行模拟仿真,并比较了传统金属层与金属条之间的传感性能差异。仿真结果表明,当入射波长由0.9μm增加到1.1μm时,甲烷气体体积浓度测量区间为0³%,可以得到平均气体光谱灵敏度10 nm/%。本学位论文共有图39幅,参考文献92篇。