双层复合膜光子晶体光纤折射率传感器的研究

论文摘要

近几十年来,随着光电子技术的发展,光学传感技术突飞猛进。尤其是光纤传感技术,在各种工业精密仪器、检测以及相关科学研究领域中发挥着越来越重要的作用。相较于传统的光纤传感器,光子晶体光纤结构设计灵活,具有多层空气孔结构,对于实现传感器的集成化和小型化具有重要意义。本文设计了一种新型的光子晶体光纤折射率传感器,该光子晶体光纤内部空气孔呈螺旋轨迹排列,在光子晶体光纤外表面进行双层膜涂覆,第一层先涂覆银作为表面等离子体共振材料,然后在银膜外又涂覆了一层15nm厚度的ZnO薄膜以防止银被氧化。在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法研究了空气孔大小、银膜厚度、传感区长度等因素对传感性能的影响,得到了传感器的最优结构参数,数值仿真研究结果表明:该传感器折射率测量范围是1.30-1.36,灵敏度最高可达5200nm/RIU,分辨率可达1.92×10-5RIU。为了扩大折射率传感器的测量范围,本文设计了基于Au膜加TiO2材料的折射率传感器,利用全矢量有限元法仿真分析传感器的结构参数及等离子体材料等因素对传感特性的影响,得到了最优结构。仿真结果表明,该传感器折射率测量范围是1.36-1.41,最高灵敏度9000nm/RIU,分辨率1.11×10-5RIU。本文所提出的PCF-SPR折射率传感器制作工艺简单,灵敏度高,并且组合以后可以对折射率范围在1.30到1.41内的液体进行检测,在环境、生物和生化分析物检测检测方面有着广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题的研究背景和意义
•   1.2 光子晶体光纤技术概述
•     1.2.1 光子晶体光纤的简介及发展
•     1.2.2 光子晶体光纤的分类
•     1.2.3 光子晶体光纤的特性及应用
•   1.3 表面等离子体共振技术概述
•   1.4 PCF-SPR折射率传感器的研究进展
•   1.5 本文的研究内容与结构安排
• 第二章 PCF-SPR折射率传感器的理论基础
•   2.1 倏逝波传感技术原理
•   2.2 表面等离子体共振传感原理
•   2.3 有限元法
•   2.4 COMSOL Multiphysics仿真分析的基本步骤
•   2.5 本章小结
• 第三章 双层复合膜PCF-SPR折射率传感器的结构设计
•   3.1 材料选择
•   3.2 包层空气孔排列方式的设计
•   3.3 镀膜方式的选择
•   3.4 PCF-SPR折射率传感器的结构及参数
•   3.5 本章小结
• 第四章 双层复合膜PCF-SPR折射率传感器的结构优化与性能分析
•   4.1 空气孔大小对传感特性的影响
• c对损耗谱的影响'>    4.1.1 空气孔d_c对损耗谱的影响
• 1 对损耗谱的影响'>    4.1.2 空气孔d₁对损耗谱的影响
•   4.2 等离子体材料及氧化膜对传感特性的影响
•     4.2.1 金属薄膜厚度对损耗谱的影响
•     4.2.2 氧化膜对传感性能的影响
•   4.3 待测液体层厚度对传感器性能的影响
•   4.4 传感区长度对传感性能的影响
•   4.5 仿真结果与分析
•     4.5.1 双层复合膜PCF-SPR折射率传感器的性能指标
•     4.5.2 双层复合膜PCF-SPR折射率传感器的性能分析
•     4.5.3 双层复合膜PCF-SPR折射率传感器的色散曲线及电场分布图
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 论文工作总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 卢志斌

导师: 陈鹤鸣

关键词: 光子晶体光纤,表面等离子体共振,双层膜涂覆,折射率,传感器

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 南京邮电大学

分类号: TN253;TP212

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000591

总页数: 63

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