基于金属纳米孔阵列结构光纤传感器设计及特性研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:da_yu
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自从在具有亚波长小孔阵列结构的光学金属薄膜上发现异常透射现象以来,由于其独特的光学现象,激起了研究人员对基于光学纳米孔阵列结构的等离子体激元传感领域的研究。然而,等离子体激元器件通常被限制在平面基板上,并且依赖于庞大的光学设备,因此限制了等离子体光学器件的广泛应用。光纤由于具有轻便,小尺寸,成本低,效益高,灵活性高等优点,使得光纤上的等离子体的激发的实现可以显著简化光学设计并减少它们对某些复杂光学元件的依赖性,使得纳米等离子体传感器具有极大的通用性和实用性。  为了解决光纤纳米孔阵列结构传感器存在的灵敏度低、实现角度调节困难以及制造工艺复杂等问题,本文提出了应用模板转移法在光纤端面集成周期性金属纳米结构来制造纳米孔阵列结构光纤传感器。这种方法实现了在光纤基体上高质量、大面积制作周期纳米结构,很好地解决了其他方法容易产生金膜褶皱,纳米结构容易脱离等问题。  本文应用模板转移法设计了两种光纤纳米孔阵列结构传感器,一种是平端面金属纳米孔阵列结构光纤传感器,一种是斜端面金属纳米孔阵列结构光纤传感器,并对两种传感器的传感性能进行了仿真与实验研究。结果表明两种传感器都具有很好的传感特性,平端面金属纳米孔阵列结构光纤传感器透射谱中信号峰的移动与周围环境折射率的变化成线性关系,传感器的最高灵敏度达到594.45nm/RIU,品质因数(figure of merit,FOM)值达到33.12。斜端面金属纳米孔阵列结构光纤传感器的灵敏度与FOM值随着光纤磨锥角的变化而呈规律改变,在光纤磨锥角为70时传感器的传感特性达到最优值,此时灵敏度为487nm/RIU,FOM值为29,且传感器信号峰值与液体折射率的变化成线性关系,线性拟合度达到了99.12%。本文的实验结果与Comsol Multiphysics有限元仿真软件模拟得到的结果完全吻合。  综上所述,本文应用模板转移法设计的平端面及斜端面金属纳米孔阵列结构光纤传感器具有较高的传感灵敏度,其中斜端面金属纳米孔阵列光纤结构传感器首次在光纤基体上研究了角度对局域表面等离子体共振传感器传感性能的影响,对于光纤等离子体激元传感器的发展具有积极的作用。
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