【摘 要】
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基于表面等离子体共振（Surface plasmon resonance,SPR）的传感器具有超高灵敏度、免标记检测、抗电磁干扰、实时检测的优异特性,在环境监测、生物化学、食品科学等领域吸引了科研工作者的广泛关注。随着集成光学与精密制造技术的发展,光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）的问世为SPR传感器提供了优秀的载体,其结构紧凑、设计灵活与支持远距离遥测的特点与S
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基于表面等离子体共振（Surface plasmon resonance,SPR）的传感器具有超高灵敏度、免标记检测、抗电磁干扰、实时检测的优异特性,在环境监测、生物化学、食品科学等领域吸引了科研工作者的广泛关注。随着集成光学与精密制造技术的发展,光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）的问世为SPR传感器提供了优秀的载体,其结构紧凑、设计灵活与支持远距离遥测的特点与SPR传感器形成完美的配合,PCF-SPR传感器已成为传感领域的重要的研究方向之一。本文从折射率检测领域入手,设计了两种高灵敏度PCF-SPR折射率传感器,利用Comsol Multiphysics软件进行有限元计算,以提升传感性能为目的对所提出的传感结构参数进行了细致深入地分析优化。首先设计了一种对称凹槽型PCF-SPR折射率传感器,在双D型PCF的基础上沿纵轴加工出对称的凹槽型微流腔,底部依次沉积有金膜与单层石墨烯。通过仿真分析了PCF结构参数与材料参数对传感响应的影响。当凹槽宽度2.2μm、纵深3.2μm、金膜厚度40nm、表面沉积石墨烯时,所提出的传感结构在1.38-1.41折射率范围内达到最大波长灵敏度14600nm/RIU,且通过对称微流腔的设计该结构可以实现自对照传感。此结构在极大地简化了加工工艺的基础上拥有良好的传感响应,石墨烯的选用使其在生物分子检测领域拥有更广阔的应用空间,该传感器具有较高的实用价值。针对凹槽型传感器在响应线性度与双通道信号辨析度方面存在的缺陷,设计了一种偏振复用型双通道同步检测的PCF-SPR折射率传感器。在PCF两条正交垂轴方向上分别引入大空气孔作为传感通道,内部分别选用了Au-Ta2O5与Ag-Ta2O5作为SPR材料。利用有限元法对双通道传感响应进行分析优化,结果表明所提出的传感结构中两路传感信号高度独立、辨析明确且传感响应拥有良好的线性度,当通道1内采用30nm金膜与40nm Ta2O5膜、通道2内采用40nm银膜与40nm Ta2O5膜时,在1.38-1.41折射率范围内分别获得了最大平均波长灵敏度11466nm/RIU与6833nm/RIU,最大振幅灵敏度-940.1RIU-1与-1008nm RIU-1。该双通道传感器支持双分析物同步测量与自对照检测,有效提升了工作效率与检测精度。
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