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光子晶体光纤表面等离子体共振传感机理及其技术研究

作　者: 帅彬彬
导　师: 夏历
学　校: 华中科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 光纤传感器光子晶体光纤多芯多孔光纤表面等离子体共振双通道传感器线性标定测量
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，光子晶体光纤(PCFs)的出现为发展高性能的封闭式全光纤表面等离子体共振(SPR)传感器开辟了新的空间。它们充分利用了PCF天然的多孔结构、设计的灵活性和多样性，以及SPR传感技术的高灵敏度特性，在解决传统光纤SPR传感器的相位匹配和封装问题上提供了完美的解决方案。本论文依托科技部中新（加坡）国际科技合作专项“用于消化道病变检测的纳米微结构光纤内窥传感技术研究”，着眼于基于SPR效应的新型纳米光子器件传感机理和实现方法的研究。在对基于PCF的SPR传感技术中新机理、新现象的研究及功能型传感器的开发三个方面取得了如下创新性成果：(1)提出一种具有大动态折射率测量范围和高线性度的多芯多孔光纤SPR传感器结构，并发现基于PCF的SPR传感技术中损耗匹配条件下的完全耦合这一新机理。该结构中相位匹配条件下的不完全耦合和损耗匹配条件下的完全耦合两种耦合机制共存。研究发现随着待测样品折射率的增加，基模与等离子体模式(SPP)的耦合由不完全耦合过渡到完全耦合，本论文还运用耦合模理论对这一性质进行了解释。(2)提出一种基于液芯多孔光纤的SPR折射率传感器，并首次观察到了正、负灵敏度共存这一新现象。在这种新结构中，待测样品折射率的变化同时影响着SPP模式和基模的色散曲线。这种新型结构的显著优点是可以在有限的光谱范围内测量较大折射率范围的待测样品，提高了光谱利用率，节约了实验成本。(3)设计一种基于多孔光纤的高灵敏度双通道SPR折射率传感器，其中基模的高阶共振峰能够被有效地抑制，同时左右两个通道具有很好的独立性和稳定性。该功能型SPR传感器具有三种不同的工作模式：自参考测量、同时测量两种待测样品和线性标定测量，还具有自参考降噪功能、高灵敏度、高集成度等优点。以上研究成果可应用于发展新型纳米微结构光纤内窥传感器，同时在医疗诊断、食品安全和环境监测等领域具有广阔的应用前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-22
  1.1 表面等离子体共振传感技术概述  9-10
  1.2 表面等离子体共振原理  10-14
  1.3 SPR 传感器的典型结构及分析方法  14-16
  1.4 基于光子晶体光纤的 SPR 传感技术概述  16-20
  1.5 本论文的主要研究工作  20-22
2 多芯多孔光纤 SPR 传感器研究  22-37
  2.1 引言  22
  2.2 MCHF-SPR 传感器结构  22-24
  2.3 MCHF-SPR 传感器模式分析  24-25
  2.4 MCHF-SPR 传感器共振特性分析  25-32
  2.5 MCHF-SPR 传感器性能分析  32-36
  2.6 本章小结  36-37
3 液芯多孔光纤 SPR 传感器研究  37-48
  3.1 引言  37
  3.2 LCHF-SPR 传感器结构  37-38
  3.3 LCHF-SPR 传感器性能分析  38-45
  3.4 LCHF-SPR 传感器结构优化  45-47
  3.5 本章小结  47-48
4 双通道多孔光纤 SPR 传感器研究  48-61
  4.1 引言  48-49
  4.2 DCHF-SPR 传感器结构  49-50
  4.3 DCHF-SPR 传感器高阶共振峰的抑制  50-52
  4.4 DCHF-SPR 传感器的三种工作模式研究  52-60
  4.5 本章小结  60-61
5 总结与展望  61-63
  5.1 全文总结  61-62
  5.2 展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-69
附录 1 攻读硕士学位期间发表论文目录  69-71
附录 2 攻读硕士学位期间申请专利  71

光子晶体光纤表面等离子体共振传感机理及其技术研究

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