基于表面等离子体共振和定向耦合的光子晶体光纤传感

摘要

光子晶体光纤因其灵活多变的结构和独特新颖的特性在传感领域受到了广泛的关注，光子晶体光纤传感器具有体积小、结构简单、可在线远距离实时检测等优点，在食品检测、生化药剂以及环境检测等领域都有广泛的应用前景。而基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤传感技术和基于定向耦合效应的光子晶体光纤传感技术也因其超高的灵敏度受到广泛的关注和研究。因此对基于这两种效应的光子晶体光纤传感特性的研究具有重要的研究意义和应用价值。
　　本文提出了基于表面等离子共振效应和定向耦合效应两种机制的光子晶体光纤折射率传感结构，使用全矢量有限元软件COMSOL Multiphysics在完美匹配层的边界条件配合下对该传感光纤的特性进行仿真分析，同时对影响光子晶体光纤折射率传感特性的参量进行分析讨论。该传感器在低折射率区(nanbg)即1.46~1.52时折射率灵敏度可达28700nm/RIU，提高了折射率传感的动态检测范围和灵敏度。
　　此外，本文针对折射率的测量容易受到温度的影响以及在光子晶体光纤空气孔中镀膜的困难性和将空气孔作为微流体通道造成的重复检测使用不便等问题，提出了基于表面等离子体共振和定向耦合的D型结构光子晶体光纤双参量传感器。该传感器在-10oC~80oC的范围内具有11.6nm/oC的温度灵敏度，在1.34~1.44的折射率范围内灵敏度最高可达26000nm/RI U。该折射率和温度双参量传感器在在浓度测量、环境检测、生化反应检测等领域具有较大的潜在应用价值。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 光子晶体光纤技术

1.3 基于表面等离子体共振的光子晶体光纤传感技术

1.4 基于定向耦合的光子晶体光纤传感技术

1.5 本文的研究思路及主要内容

第二章 PCF-SPR传感的基本理论和方法

2.1 SPR基本原理

2.2 PCF-SPR的数值仿真方法

2.3 小结

第三章 基于SPR和定向耦合的PCF折射率传感

3.1 几何模型

3.2 数值模拟与分析

3.3 PCF参量对折射率传感特性的影响

3.4 小结

第四章 基于SPR和定向耦合的D-PCF多参量传感器

4.1 几何模型

4.2 D型PCF折射率和温度传感特性的数值分析

4.3 D-PCF参量对传感特性的影响

4.4 基于SPR和定向耦合的D-PCF传感系统

4.5小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢