基于表面等离子体共振的光子晶体光纤折射率传感器的设计与分析

为了实现光子晶体光纤在近红外波段下的高灵敏度传感,设计了一种基于表面等离子体共振的光子晶体光纤(SPR-PCF)折射率型传感器。光纤内部的空气孔呈六边形排列,金纳米层完全包覆光纤外璧并与圆形待测物通道接触。利用有限元矢量软件COMSOL对SPR-PCF传感器的光学特性进行数值模拟仿真,得到不同待测物折射率的共振波长并绘制出纤芯损耗光谱,通过纤芯损耗光谱来对SPR-PCF传感器的传感特性进行分析。实验结果表明,其折射率测量区间为1.31~1.38,最大光谱灵敏度为104 nm/RIU,最大振幅灵敏度为200RIU-1,折射率测量精度为2.94×10-5RIU。     

基于表面等离子体共振的椭圆侧芯光子晶体光纤传感器研究

设计出一种高灵敏度的新型椭圆侧芯光子晶体光纤传感器模型。圆形孔和3种不同大小椭圆孔构成该椭圆侧芯光子晶体光纤空气孔，其中椭圆孔的椭圆率分别为e、e1、e2，在椭圆率为e的左侧椭圆孔内涂敷金纳米薄膜。通过有限元分析软件COMSOL对传感器的传感特性进行数值分析。研究发现：表面等离子体共振的共振峰对待测液体折射率的变化有很高的传感灵敏度；光子晶体光纤传感器的灵敏度会随着椭圆率e、e1以及金纳米薄膜的厚度而变化。折射率在1.40～1.42范围内，传感器灵敏度随着e1的增大而增大；折射率在1.42～1.43范围内，传感器灵敏度随着e1的增大先减小再增大。当椭圆率e1=1.2、折射率为1.43时，灵敏度高达31800 nm/RIU（折射率单元）。折射率在1.38～1.43范围内，传感器灵敏度随着椭圆率e的增大而增大，当椭圆率e=2.3时，灵敏度高达33200 nm/RIU。折射率在1.42～1.43范围内，传感器灵敏度随着金纳米薄膜厚度的增大而减小，在折射率为1.43、金纳米薄膜厚度为40 nm时，传感器灵敏度高达34600 nm/RIU。     

SiO_2-Al_2O_3-SiO_2光子晶体缺陷腔的折射率传感特性

为了提高光子晶体折射率传感器的灵敏度和品质因数,提出了一种基于表面波谐振原理的缺陷态光子晶体-棱镜耦合传感结构。通过分层传输矩阵法对该结构建立传感理论模型,得出古斯汉欣位移与谐振波长的变化关系,从而建立谐振波长与待测样本折射率的关系模型。以SiO2-Al2O3-SiO2作为缺陷腔来代替传统表面等离子体共振(SPR)传感器中的金膜,构成折射率敏感层;采用Al2O3作为吸收层,从而在反射光谱中得到谐振缺陷峰,通过缺陷峰值的漂移实现待测样本折射率的动态监测;以乙二醇溶液为待测样本,对该折射率传感结构的Q值及灵敏度进行了分析。结果表明,其灵敏度约为3596nm·RIU-1(RIU为相对折射率单位),Q值约为1087.7,证明了结构设计的有效性,并可为高灵敏度和高Q值折射率传感器的设计提供一定的理论指导。     

双侧抛D型光子晶体光纤表面等离子体温度传感器

为了降低传感器结构复杂度和提高传感器温度灵敏度,提出一种双侧抛D型、包层为正六边形和正八边形的光子晶体光纤表面等离子共振(SPR)温度传感器,利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件分别研究了偏振方向、空气孔径、银膜厚度对传感器的性能影响,找出各项数据的最优值,并以此为基础对传感器的温度传感特性进行了分析。仿真结果表明:在x偏振方向模式下,当包层空气孔d1=1μm、d2=0.5μm,金属银膜厚度tAg=35 nm时,传感器的性能最优,在0~120℃时传感器的温度灵敏度最高可达-7.99 nm/℃。     

D型环光子晶体光纤表面等离子体共振传感器

提出了一种中红外波段宽范围低折射率检测的D型环双芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器。该结构为一个D型环,并在其内外表面都沉积一层金属层。采用全矢量有限元方法分析了该传感器的性能。结果表明,该传感器可以在中红外波段实现低折射率传感,并具有高传感灵敏度特性。分析物的折射率可检测范围为120～138,平均波长灵敏度和最大波长灵敏度可分别达到13717nm/RIU和21150nm/RIU,分辨率可达到194×10-5 RIU。该传感器可在化学、生物以及环境检测等领域有重要的应用。     

基于MSM结构的表面等离子体共振光纤折射率传感器

基于表面等离子体共振(SPR)效应,设计了一种基于多模-单模-多模(MSM)结构的光纤折射率传感器。采用光纤熔接的方式构成MSM结构,并且在单模光纤的表面涂覆二氧化钛/银(TiO2/Ag)复合膜构成传感单元。利用FDTD Solutions仿真分析了单模光纤长度与金属膜厚度对传感器性能的影响。结果表明:单模光纤长度越长,共振深度越深;TiO2/Ag复合膜中Ag膜厚度为50nm,TiO2膜厚度为20nm时,传感器性能最优,在1.33~1.41环境折射率范围内,传感器的灵敏度约为6 875nm/RIU。实验结果表明该光纤折射率传感器结构制作工艺简单、灵敏度高。     

双芯D型高灵敏度光子晶体光纤传感器的设计

该文提出了一种双芯D型高灵敏度的表面等离子体共振 光子晶体光纤(SPR PCF)传感器,利用SPR技术,通过纤芯损耗谱测量共振波长的变化来达到测量待测物质不同折射率的目的。通过改变内部空气孔的排列,使之达到双芯传输的效果,同时D型结构有利于加快SPR反应。其工作的波长范围可以调节,且结构简单,易于测量操作。实验结果表明,其折射率测量区间为1.35~1.40,可得最大光谱灵敏度为15 000 nm/RIU,最大幅值灵敏度为582.12 RIU-1,探针折射率精度为1.56×10-5 RIU。     

表面等离子体共振类熊猫型光子晶体光纤传感器

分析了基于表面等离子体共振类熊猫型的光子晶体光纤传感器,采用基于全矢量有限元法（FEM）对光纤模式进行了数值计算,在各向异性完美匹配层（PML）边界条件下,求解模场的有效折射率。讨论了各个参量的尺寸对传感的影响。计算表明,激发的等离子体对环境介质折射率的变化非常敏感,所设计传感器最大光谱灵敏度达到2 μm/RIU,若光谱仪的分辨率为10 pm,则传感器的分辨率可以达到5×10-6 RIU。     

波导层介质对二维光子晶体反射光谱的影响

构建了基底介质为SiO2、表面覆层介质为TiO2 的二维光子晶体,采用严格耦合波法分析了二维光子晶体的窄带光学传输特性。分析了二维光子晶体的晶格周期、波导层的折射率及厚度对其反射光谱的影响。分析结果表明:当光子晶体的晶格周期和波导层介质厚度为常数时,随着波导层介质折射率的增大,光子晶体的反射峰值波长红移,且波导层折射率与反射峰值波长呈线性关系。当光子晶体波导层介质折射率为常数时,波导层厚度增大或光子晶体晶格周期的增大都会引起光子晶体反射峰值波长增大,但这两个参数与反射峰值波长只是在一定的变化范围内为线性关系。此种结构的二维光子晶体覆层表面吸附分布不均匀的介质时,通过分析光子晶体的呈现光谱可获得其表面吸附介质的不均匀特性。     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤癌胚抗原浓度传感器

为了提高生物参量检测的灵敏度和避免电磁干扰,提出一种基于表面等离子共振的光子晶体光纤传感器应用于癌胚抗原(CEA)溶液的检测.该传感器采用不同直径空气孔进行三层排列的结构,将金薄膜作为金属层镀在纤芯表面,并在金薄膜和待测CEA溶液间增加一层基于核酸适配子的特异性适配层,采用全矢量有限元法对该传感器进行数值模拟与仿真.仿...     

基于光学塔姆态耦合分析的含金属插层光子晶体传感机理研究

基于光子晶体光学塔姆态的耦合分析,提出了一种含金属插层的折射率传感结构。对该光子晶体结构中光学塔姆态的形成机理进行了分析,并调整金属插层的厚度来实现两个光学塔姆态的耦合。建立缺陷峰波长与待测溶液折射率的关系模型,并分析其折射率传感特性。通过对光子晶体周期数和入射角度的讨论,可以得到,增加光子晶体周期数(或入射光的入射角度)可减小缺陷峰的半峰全宽(FWHM),从而提高传感器的灵敏度和折射率的分辨率。以乙二醇为待测样本,可得该传感器的灵敏度为445.45 nm/RIU(折射率单元),品质因数(Q值)可达1259.45。该传感器结构具有制备工艺简单和结构紧凑等优点,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考。     

单芯光子晶体光纤边孔SPR折射率传感特性研究

为了实现高灵敏的表面等离子体共振（SPR）折射率传感,提出一种基于大纤芯的单芯光子晶体光纤SPR传感结构,采用全矢量有限元方法对其传感特性进行了数值仿真和分析。结果表明,该结构具有比较宽的折射率传感范围（1.36~1.55）,同时具有较高的传感灵敏度,平均传感灵敏度达12139nm/RIU;在折射率1.36~1.42区域,线性传感灵敏度为5646.4nm/RIU,线性度为0.9317;而在折射率1.42~1.57区域,传感灵敏度达到15326.8nm/RIU,线性度为0.98738,传感特性出现明显的线性分段情况。该研究结果为实现高灵敏的光子晶体光纤SPR传感器提供了重要的理论依据。     

基于光盘光栅的表面等离子体共振传感器

采用CD光盘光栅作为表面等离子体共振(SPR)传感器的耦合元件,通过检测共振角的变化对液体浓度进行传感测量。结果表明CD光栅耦合型SPR传感器对葡萄糖溶液的灵敏度可达3%(质量分数),理论分辨率为1%(质量分数)。通过模拟不同光栅周期、光栅槽形和待测介质折射率对共振曲线的影响,发现缩短光栅周期、使用正弦槽形的光栅作为耦合基底,都可以进一步提高这种传感器的灵敏度。     

双金属层表面等离子体共振传感器灵敏度优化

为了优化表面等离子体共振传感器的灵敏度,基于薄膜光学理论,分析了银-金双金属层表面等离子体共振传感器的反射率和灵敏度随金属薄膜厚度变化的规律。发现在满足共振角反射率小于1%的条件下,银膜和金膜厚度存在一定的取值范围; 在此厚度范围内,传感器的灵敏度随着金属薄膜（银膜与金膜）厚度的增大而提高,灵敏度增量最大可达5°/RIU。结果表明,在保证一定共振角反射率的前提下,可通过增加双金属层中金属薄膜的厚度提高双金属层表面等离子体共振传感器的灵敏度。     

填充型增敏式光子晶体光纤压力传感器结构

为了实现光纤传感器压力增敏的效果,设计了一种具有高双折射的光子晶体光纤结构。采用有限元法计算光子晶体光纤在不同应力作用下的有效折射率, 基于光子晶体光纤的压敏特性,分析光子晶体光纤的模式, 并选择该结构里的一个空气孔,填充具有特定折射率的液体材料,构成新型压力传感器。该结构的压力灵敏度由COMSOL软件的仿真得出。结果表明, 经填充液体后,偏振相位灵敏度从72rad/(MPa·m)提升至128rad/(MPa·m),显著提高了77.7%。该研究对增强传感器的力学性能有帮助。     

基于表面等离子体共振的光子晶体光纤生物传感

为解决电化学生物传感的电磁干扰,提高光学生物传感的灵敏度,提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)的光子晶体光纤(PCF)传感结构并将其应用于脱氧核糖核酸的检测中.为了易于检测,将Au膜镀在PCF的外表面直接接触待测溶液.利用全矢量有限元法结合各向异性的完美匹配层对该结构进行数值研究.结果 表明,在1.333～1.347折射率范围内,该结构具有明显的SPR效应,在1300～1400 nm波长范围内形成了不同位置的共振损耗峰.当Au膜厚度为60 nm、占空比为0.6、孔直径为1.2 μm时,该结构的灵敏度可达到7250 nm/RIU(RIU为折射率单元),检测限可达到10-6量级,品质因数为145 RIU-1.该结构在生物传感、液态物质检测等领域具有潜在的应用前景.     

基于布洛赫理论的光子晶体表面波形成及传感机理

结合布洛赫理论和麦克斯韦方程组,针对一维光子晶体表面缺陷态结构形成的布洛赫表面波进行理论分析,并研究了布洛赫表面波的局域特性和入射电磁波波长与角度对布洛赫表面波的影响。在此基础上,对一维光子晶体表面缺陷态结构的传感特性进行分析,当TE偏振分量以一定角度入射到光子晶体中时,在待测溶液形成的缺陷层中发生谐振,电磁场被局域增强,与待测溶液分子充分作用,其形成的布洛赫表面波对待测溶液折射率变化具有高度的敏感性。数值模拟结果表明,其Q值可达2620.29,灵敏度S为62°RIU-1,因此布洛赫表面波在一维光子晶体结构中具有很好的传感特性,可为折射率传感器的设计和应用提供理论参考。     

负折射率介质光子晶体光纤带隙结构的研究

提出了一种新型结构的负折射率介质光子晶体光纤，采用平面波法（PWM）分析了这种光子晶体光纤的带隙结构，研究了负折射率变化与负正折射率介质比变化对光子带隙结构的影响。分析结果表明，负折射率介质的光子晶体光纤的带隙数量和宽度随折射率和介质比变化而变化。取负折射率值为-1．5、负正介质填充比为0．88、空气孔间距为2．6um时，可得到多条带隙和较大的带隙宽度，实现PBG导光的波长范围为1225nm-4084nm。     

基于双D型光纤表面等离子共振折射率传感研究

以双D型光纤作为传输载体,研究了一种基于表面等离子共振技术的双D型光纤折射率传感器。利用时域有限差分法,分析了双D型光纤剩余包层厚度、金膜厚度、金膜表面粗糙度以及双通道传输对光纤SPR传感器性能的影响。仿真结果表明,当剩余包层厚度为300~500nm、覆盖的金膜厚度为50nm时,双D型光纤SPR传感器的性能得到优化;金膜表面粗糙度也是影响传感器性能的重要因素,当金膜表面粗糙度的均方根值低于2nm或其相关长度大于160nm时,金膜表面粗糙度对传感器性能的影响显著减小,且在折射率为1.33~1.36的传感环境下具有较好的线性度;在双D型光纤两侧覆不同的金属膜,可以实现信号的双通道测量。     

基于光栅波导共振耦合的传感器特性研究

该文设计了一种基于光栅波导共振角耦合的生物传感器,通过光栅波导模式谱变化检测传感器表面有效折射率变化的方式,实现了传感器表面附着物的精确检测。并在平板介质光波导理论基础上,推导了三、四层结构理论模型,实验得到了入射角与检测溶液折射率及入射角与分子膜层厚度间的变化关系。结果表明,光栅波导共振角耦合生物传感器入射角与待测溶液折射率存在良好的线性关系,并具有较高灵敏度,精度可达0.01(°)/nm。通过该方法制作出无标记的生物传感器,能广泛应用于生物分子检测,尤其适合蛋白质分子生物检测。