非完全包覆型表面等离子体共振传感器结构研究

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在传感器相关领域的研究中,光纤传感器可以有效地将传感器微型化、集成化和多功能化,具有传统电学式传感器不具备的优势,其中光纤表面等离子体共振传感器,为实现高灵敏度、高可靠性、小型化和易于集成的光纤传感器提供了新的研究思路。传统的光纤表面等离子体共振传感器性能对其中金属层的类型和厚度都有着较大关联,制作完成后无法再对结构进行参数调节,同时加工过程加工精度难以控制,因此制作显得较为复杂,成本较高。本文提出一种使用微纳光纤、金和氟化镁组成的新型传感结构,主要是为了避免因为加工过程造成的性能的不确定性,同时使传感器结构更加简单,减少加工精度的要求。本文使用微纳光纤、金和氟化镁组成非完全包覆型的传感结构,首先以常见的薄膜理论的传输矩阵计算该结构的透射谱特性,从多个结构参数讨论了透射谱的变化规律,最后以温度为传感参量进行了温度传感计算,得到了灵敏度约为4.355 nm/℃的传感器灵敏度。对于微纳光纤处于多模条件下的计算,以损耗模共振理论的方法对结构的损耗进行了整体分析,解决了使用传输矩阵方法分析过程产生的模型过于简化和计算困难问题。使用损耗模共振理论对结构进行了多个结构参数的讨论计算后,各项计算结果在基于传输矩阵方法的结果上得到了修正,在温度变化的计算上,获得了29 pm/℃的传感器灵敏度。本文使用了目前较少报道的新型结构进行传感分析,以薄膜理论和损耗模共振理论两种不同的方法进行了结构参数的计算和总结,有利于后续传感器设计工作中对传感器性能进行调优。这些计算结果验证了该结构可以用于传感器设计,并且相对于传统的光纤表面等离子体谐振传感结构加工难度更小,结构更为简单,无论是传输矩阵方法或者是损耗模共振理论的结果,都达到了传感器设计的性能要求,甚至在特定条件下优于传统的光纤表面等离子体共振传感结构。
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