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随着军事、医学、化学、科研等领域对高灵敏度传感器的需求,表面等离子体共振以其对周围介质变化的极高敏感度无可厚非的成为高灵敏度传感器的热点。基于微结构光纤的表面等离子体共振传感器不仅具有实时、便捷、灵敏、可遥测等优点,同时也是表面等离子体共振技术微型化要求的自然延伸。对基于微结构光纤的表面等离子体共振传感器的研究意义重大。
本文详细地研究了基于准晶体结构光纤的表面等离子体共振传感器的特性。首先通过对金属光学特性的简单阐述,介绍了实现表面等离子体共振的理论条件,激励方式,数值分析方法以及国内外研究现状;随后提出基于准晶体结构光纤的表面等离子体共振传感器设计构型,并分析了各光纤结构参数以及金属膜厚度对传导模泄漏损耗谱、共振峰的影响,通过对结构的优化设计了一种灵敏度较高的传感器构型;最后,通过大量的尝试性数值分析,提出了一种基于六重准晶体构型的设计,其灵敏度更高。本论文的主要研究内容为:
1、建立分析模型,运用有限元方法对基于全内反射型准晶体结构光纤的表面等离子共振传感器进行数值模拟以及模式分析。对比没有金属膜与镀有金属膜的情况下,构型传导模的泄漏损耗谱,证实基于准晶体结构光纤实现表面等离子共振传感的可行性。
2、通过改变整体孔的直径、内层空气孔直径、外层通道孔直径、孔间距以及金属膜层厚度,研究其对传感器芯内传导模的泄漏损耗谱、共振峰、灵敏度的影响。分析变化规律,并从理论上做出解释。
3、优化传感器构型参数,提出一种传导模损耗谱杂峰少、测量范围较大的、灵敏度较高的基于准晶体结构光纤表面等离子共振传感器。待测液折射率的有效监测范围是1.24-1.35,最高灵敏度可达7000nmRIU-1。
4、设计了一种基于六重准晶体结构光纤的表面等离子共振传感器,可以达到更高的灵敏度,通过数值模拟研究了孔直径、孔间距以及金属膜层厚度的变化对传导模泄漏损耗谱的影响。并综合考虑谱型、共振波长、灵敏度等因素优化传感器性能,最终得到待测液折射率的有效监测范围是1.25-1.331,最高灵敏度可达26400nmRIU-1设计构型,其性能优于现有文献的报道。