基于纳米金结构的侧边抛磨光纤SPR传感器设计

摘要

以侧边抛磨光纤为导波载体，利用光纤抛磨区的倏逝场来激发表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance,SPR）制成的新型传感器，具有灵敏度更高、集成性好、能够实现实时远距离监测等特点，被广泛地应用在生物医学、物理检测、环境污染等方面。但影响侧边抛磨光纤SPR传感器性能的因素有很多，例如侧边抛磨光纤的抛磨长度、剩余光纤厚度、金属膜厚度以及金属膜结构等。对于这些影响因素的分析，有助于提高传感器的系统性能，并为进一步研究发展新的传感器设计方案。为此，本文首先总结了基于侧边抛磨光纤的SPR传感器研究现状和存在问题，然后系统研究了侧边抛磨光纤的种类和结构参数，以及激励金属结构和参数对于光纤SPR传感器的影响，并分别提出了最优化设计方案。本文的具体内容如下：
　　第一、综述了SPR的发展历程和基本概念，引入了光纤SPR传感器，分析总结了基于侧边抛磨光纤的SPR传感器发展现状和存在的问题，并由此提出本文的主要研究内容。
　　第二、介绍了几种分析光纤SPR的解析方法和数值模拟方法，重点介绍了本文所选用的有限元法。然后描述基于有限元法的仿真软件COMSOL Multiphysics的建模步骤及参数设置。最后讨论金的折射率色散关系，为后续模拟计算做准备。
　　第三、针对侧边抛磨小芯径光纤和侧边抛磨大芯径光纤，分别研究了纳米金膜的厚度、侧边抛磨光纤的剩余厚度、模式阶数等参量对传感器性能的影响，从而得出最佳参数。依据所计算的最佳参数制作侧边抛磨光纤SPR传感器，完成了对传感器的实验标定，并与理论结果进行对比分析。
　　第四、针对激励金属结构，系统研究了纳米金圆柱、纳米金方柱和纳米金三角形柱三种情况下的最优结构参数，并在最优结构参数的基础上仿真模拟了传感器的灵敏度、半高宽和品质因数。研究发现：相对于传统的纳米金属膜结构的光纤SPR传感器，纳米金柱阵列均能在不同程度增强侧边抛磨光纤SPR传感器的灵敏度。
　　第五、总结本论文工作，指出存在的不足之处，并提出进一步完善的建议。
　　本文的创新之处在于：
　　第一、系统研究了纳米金柱阵列的侧边抛磨光纤SPR传感器新结构，通过理论仿真得出该结构能够提高侧边抛磨光纤SPR传感器的灵敏度。
　　第二、提出并建立了基于纳米金三角形柱阵列的SPR传感器。该传感结构能够同时实现传输等离子体的高灵敏度和局域等离子体的高线性度和大测量动态范围等优点，具有重要的研究意义和实用价值。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1表面等离子体共振

1.2侧边抛磨光纤介绍

1.3光纤SPR传感器简介

1.4光纤SPR的广泛应用以及优势

1.5本文研究意义及主要研究内容

1.6本章小结

2侧边抛磨光纤光纤SPR传感器的模型与方法

2.1仿真方法介绍

2.2有限元仿真分析的步骤

2.3模型的建立以及金的折射率色散关系

2.4本章小结

3基于纳米金膜的侧边抛磨光纤SPR传感器的研究

3.1基于金膜的侧边抛磨小芯径光纤SPR传感器的设计以及优化

3.2基于金膜的侧边抛磨大芯径光纤SPR传感器的设计以及优化

3.3本章小结

4基于纳米金柱阵列的侧边抛磨小芯径光纤SPR传感器的研究

4.1基于纳米金圆柱阵列的侧边抛磨小芯径光纤SPR传感器

4.2基于纳米金方柱阵列的侧边抛磨小芯径光纤SPR传感器

4.3基于纳米金三角形柱阵列的侧边抛磨小芯径光纤SPR传感器

4.4 本章小结

5论文总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

在校期间发表学术论文及科研成果清单

本论文受以下科研项目资助

致谢