新型塑料光纤传感器的仿真和实验研究

摘要

随着现代电子及生物技术的迅速发展，光纤传感技术已形成一个独立的领域。与传统石英光纤相比，塑料光纤(Plastic Optical Fiber,POF)具有芯径大、韧性高、价格低廉、制作简单、维护简便、可靠性高等优点。因此，POF传感器成为目前国内外广泛研究的一种传感器。其中，基于POF的折射率传感器在微生物检测、血液分析、DNA分析、有毒气体检测等领域有着极为重要的用途。
　　本文首先介绍了常见POF传感器以及传统表面等离子共振(Surface PlasmaResonance，SPR)的基本原理，深入分析了POF用于折射率传感器的可行性和优越性。
　　随后分别介绍了基于锥型、D型以及微孔结构的POF的折射率传感器。我们分别采用光纤拉锥技术，侧边抛磨技术以及机械加工技术制作了上述传感结构。
　　接下来介绍了石墨烯在折射率传感器中的应用。由于石墨烯可以代替传统贵金属产生SPR，因此，本文利用石墨烯大比表面积、良好的生物兼容性，设计了一种基于石墨烯表面等离子共振的光纤折射率传感器。此外，对石墨烯SPR进行了有限元法的仿真研究。
　　最后，基于双光束干涉法，制作了双层金属结构，然后将其沉积在POF表面构建了一种新颖的SPR传感器。它将光纤波导耦合和光栅耦合相结合，极大提高了SPR的激发效率，在折射率传感中有望得到重要应用。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 塑料光纤概况

1．2 塑料光纤与传感

1．3 光纤生物传感与SPR技术

1．4 石墨烯与SPR

1．5 本论文研究的内容和创新性

1．5．1 研究内容

1．5．2 本论文的特色和创新

第二章 塑料光纤折射率传感器的基本原理

2．1 光纤折射率传感嚣原理简介

2．2 表面等离子共振原理简介

2．2．1 金属色散模型简介

2．2．2 表面等离激元

2．2．3 表面等离激元的激发方式

2．2．4 光纤SPR原理及其影响因素

2．3 本章小结

第三章 几种塑料光纤折射率传感器

3．1 锥型塑料光纤折射率传感器

3．1．1 锥型光纤与光纤拉锥系统

3．1．2 传盛器原理分析

3．1．3 实验与结果分析

3．1．4 实验总结

3．2 基于D型结构的POF折射率传感器

3．2．1 理论分析

3．2．2 传感器构建

3．2．3 实验结果分析

3．2．4 实验总结

3．3 基于微孔结构的POF折射率传感器

3．3．1 实验与分析

3．3．2 理论分析

3．3．3 实验总结

3．4 本章小结

第四章 基于石墨烯的塑料光纤SPR传感器

4．1 实验仪器和耗材

4．2 石墨烯的制备、转移和表征

4．3 利用COMSOL对传感器的仿真

4．4 本章小结

第五章 基于双层金属光栅的塑料光纤SPR传感器

5．1 双层金属光栅的制备

5．2 原理分析

5．3 时域有限差分法简介

5．4 双金属光栅传感器仿真

5．5 本章小结

第六章 总结

5．1 总结

5．2 未解决的问题和以后工作展望

参考文献

致谢

已发表的成果