基于双折射的光子晶体光纤生物传感器

摘要

生物组织的构成非常复杂，包含很多的物质和结构，并且大多数生物物质对光都表现出高散射和不透明的特点，这为光学手段研究生物物质的性质提供了方便。光学生物传感器具有实时，不受电磁干扰和响应速度快的特点，加之波导、棱镜、光子晶体光纤等结构的辅助，使其在生物物质的折射率检测中备受关注。然而微量的生物物质以及微小的折射率变化对生物传感器的灵敏度提出很高的要求，为此研究者们通过优化结构的设计和应用不同原理来提高检测的灵敏度，但是灵敏度的提高有时会造成结构复杂度的增加，给实际制造的带来难度。 本文提出了一种不对称单层空气孔的光子晶体光纤，结构的不对称能够产生双折射性质，从而利用简单的结构实现生物传感器高线性度、高灵敏度、低损耗的目标。本文主要使用有限元方法进行数值模拟，并基于有限元仿真软件COMSOL Multiphysics研究了不同几何参数和材料参数对结果的影响，使得损耗最低，检测效果最好，仿真结果证实了该光子晶体光纤具备高双折射特性和宽波长单模传输的性质。另一方面，表面等离子体共振的应用使得传感器可以在特定波长范围内形成明显的共振峰，并且共振波长位置对金属层外部折射率的变化很敏感，会随着折射率的变化发生波长的偏移，而共振波长的变化量是分析传感器性能的首要物理量。 本文设计的光子晶体光纤只有一层空气孔并且金属层位于光子晶体光纤包层外部，使得结构的复杂度大大降低，进而减小了制造的难度。通过对无双折射特性的结构分析，证明了双折射特性可以改善传感器的线性度和灵敏度，并且在一定波长范围内只出现单个共振峰，提高了检测的精确度。该传感器对折射率为1.4到1.44的物质灵敏度很高并且线性度良好，能够达到很小的分辨率，适合对生物物质进行检测。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究意义及工作内容

2 光子晶体光纤概述

2.1 光子晶体光纤的分类

2.1.1 全反射型光子晶体光纤

2.1.2 光子带隙型光子晶体光纤

2.1.3 两种光子晶体光纤的传输模比较

2.2 光子晶体光纤的特性

2.2.1 无截止波长单模传输

2.2.2 损耗特性

2.2.3 色散特性

2.2.4 双折射特性

2.3 光子晶体光纤生物传感器的原理

2.4 本章小结

3 光子晶体光纤的研究

3.1 数值方法介绍

3.2 有限元法

3.3 有限元软件介绍

3.3.1 COMSOL Multiphysics的建模过程

3.3.2 边界条件的选择

3.4 有纤芯单层六边形排列圆形孔的模拟

3.5 无纤芯单层六边形排列圆形孔的模拟

3.6 本章小结

4 结构设计及数值模拟

4.1 模型设计

4.2 几何参数对模拟结果的影响

4.2.1 空气孔间距的影响

4.2.2 空气孔直径的影响

4.3 金属的影响

4.3.1 金属材料的影响

4.3.2 金厚度的影响

4.4 本章小结

5 模拟结果与分析

5.1 有双折射特性的传感器特性分析

5.1.1 线性度分析

5.1.2 灵敏度分析

5.1.3 测量范围和分辨率

5.2 无双折射特性的传感特性分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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