發(fā)布時間：2020-04-06 19:36

【摘要】：光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber,PCF)因其具有體積小、單模傳輸、包層空氣孔設計靈活多樣等特點,成為近幾年光學傳感領域的研究熱點。表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)傳感技術具有高靈敏度特性,廣泛應用于物理、化學、生物等多個領域。本文以光子晶體光纖為載體,設計多種新型的光子晶體光纖表面等離子體共振(PCF-SPR)生物傳感器。采用全矢量有限元法(Finite Element Method,FEM)對所設計的生物傳感器進行數(shù)值仿真,研究各項傳感特性,為以后PCF-SPR生物傳感器的制作提供重要的理論依據(jù)。利用金屬銀作為SPR激發(fā)層,設計一種采用TiO_2薄膜增強傳感特性的單通道PCF-SPR生物傳感器。該傳感器使用TiO_2薄膜以提高傳感器的檢測精度以及線性相關度,此外TiO_2薄膜可以將銀膜與外界環(huán)境隔絕,阻止銀膜氧化。利用有限元法分析傳感器的色散特性以及銀膜厚度、TiO_2薄膜厚度、空氣孔大小等結構參數(shù)對傳感器性能的影響,并合理配置傳感器各結構參數(shù)以提高其靈敏度和檢測精度,在此基礎上分析待測物折射率與共振波長的關系。為了增強傳感器的抗干擾能力,設計一種具有抗干擾功能的雙介質通道PCF-SPR生物傳感器,其中一個介質通道填充標準濃度的液體(其折射率恒定),作為參考通道;另一個介質通道注入待測液體,作為測量通道。利用有限元法分析結構參數(shù)對該傳感器性能的影響,并采用差動測量方法,模擬外界干擾,詳細討論該傳感器的抗干擾能力。在雙通道抗干擾PCF-SPR生物傳感器的基礎上提出一種四通道的抗干擾PCF-SPR生物傳感器,每兩個通道組成一個測量單元。該傳感器不但具有抗干擾功能,而且可同時測量兩種介質。測量時,兩個測量單元互不干擾。該傳感器其中一個測量單元用于檢測低折射率介質,另一測量單元檢測高折射率介質,以此來擴大傳感器的檢測范圍并提高傳感器的線性相關度。
【圖文】：

纖表面等離子體共振傳感器雖然可實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，且成本低、體積小樣具有靈敏度低，易受交叉敏感影響，耦合損耗大等缺點[16,17]。并且，光纖SPR 結構產(chǎn)生表面等離子體共振的條件比較困難，這些缺點限制了光纖 SPR 發(fā)展[18]。 PCF-SPR 傳感器991 年，Dougherty TJ[19]等人設計了纖芯是空氣芯的光子晶體光纖。該光子晶結構包含一個中空的纖芯，包層由嚴格周期性排列的空氣孔組成，這種光子纖依靠改變空氣孔微結構的排列規(guī)則來從根本上改變波導的光學性質。光纖特性，如有效折射率、限制損耗、模式面積、色散等均可以通過改變光纖的列規(guī)則、孔間距、空氣孔大小等結構參數(shù)來得到有效控制。因此，PCF 已方面表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的優(yōu)勢，并出現(xiàn)了許多新的應用[20]。過多年的發(fā)展，PCF 的設計多種多樣，主要分為兩種基本類型：折射率引晶體光纖(TIR-PCF)、光子帶隙型光子晶體光纖(PBG-PCF)[21]。

a) 未采用差動測量時的檢測誤差 b) 采用差動測量時的檢測誤差圖 4-10 檢測誤差隨干擾強度的變化曲線圖由于外界擾動使得參考通道與測量通道的共振波長同時發(fā)生變化，因此可以采用差動測量方式來降低參考通道的檢測誤差。無補償情況下，DCPCF-SPR 生物傳感器測量誤差如圖 4-10a)所示，可以看出，隨著待測介質折射率增大，測量誤差增大。同一待測介質下，干擾強度越大，測量誤差也越大。當待測介質折射率為 1.331，且k2=1.0005， n2=0.0007 時檢測誤差最小，其值為 0.36%。當待測介質折射率為 1.38，且 k2=1.0015，， n2=0.001 時，測量誤差最大為 2.1%。當采用差動測量，使測量通道的共振波長得到補償后，檢測誤差如圖 4-10b)所示。圖中檢測誤差出現(xiàn)負值是由于當出現(xiàn)干擾時，參考通道共振波長的漂移量大于測量通道共振波長的漂移量。傳感器采用差動測量后，檢測誤差均小于 1.1%。對于折射率小于 1.35 的低折射率待測介質，測量誤差小于 0.2%。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.3

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