摘 要

光纤表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）传感器采用的是波长调制的方法，由于受限于激励的方式，其灵敏度一直比棱镜型SPR传感器低2-3个数量级。为了提高光纤SPR传感器的灵敏度，本文尝试对侧边抛磨型光纤SPR传感的物理模型进行讨论，借助MATLAB软件仿真分析了侧边抛磨光纤的剩余厚度、金属薄膜层的厚度、种类以及氧化性对传感器的灵敏度的影响，并确定金属膜的种类、最佳厚度范围，以及侧边抛磨光纤的剩余厚度的最佳值，为以后的实验提供参数依据。

本论文主要的工作内容包括：（1）学习侧边抛磨型光纤SPR传感器的工作原理。（2）借助MATLAB软件进行仿真分析，得出结论及侧边抛磨型光纤SPR传感器的最佳参数。

仿真的结果表明：银膜SPR共振峰宽度更窄，共振强度更大，光谱分析准确度更高，选择银膜较佳；金属膜的最佳厚度范围为50nm~60nm；侧边抛磨光纤的剩余厚度越小，SPR现象越明显，灵敏度越高光纤的剩余厚度最佳为66.5μm，即抛磨面与纤芯相切；当金属膜氧化后，大大降低了传感器的灵敏度，甚至可以使得传感器直接失效。

关键词： 光纤表面等离子体共振；侧边抛磨光纤；灵敏度

Abstract

Optical fiber surface plasmon resonance(SPR)sensor uses wavelength modulation,and its sensitivity has been lower than the prism type SPR sensor 2-3 orders of magnitude ,because it is limited by the excitation mode. In order to improve the sensitivity of the optical fiber SPR sensor, this paper attempts to discuss the side polishing and grinding type optical fiber SPR sensor physical model.We will use MATLAB software to simulate and analysis the residual layer thickness of the side edge polishing grinding fiber package ,the types of metal film and the thickness of the metal membrane and the oxidation of metal film on the sensor sensitivity of influence.And determining the best type of metal film, the best thickness of the metal film, and the best value of the residual thickness, to provide the best parameters for future experiments.

The main work of this paper includes: (1) we will research ahout the working principle of the side polished fiber SPR sensor.(2)we will use MATLAB software to simulate and analyze, draw the conclusion and determin the best parameters of side polished fiber SPR sensor.

Simulation results show that Silver film SPR resonance peak width is narrower, the resonance intensity is bigger, the spectrum analysis accuracy is higher, the choice silver film is better;with the increase of the thickness of the metal membrane, SPR spectra absorption peak resonance depth is more shallow, metal film the optimal range of thickness upon; residual thickness of side polished fiber is smaller, SPR phenomenon is more obvious, higher sensitivity fiber residual thickness of the best 66.5 m, throwing grinding surface and core tangent; when the metal oxide film, greatly reducing the sensitivity of the sensor, and the sensor failure.

Key words: optical fiber surface plasmon resonance; side polished fiber; sensitivity

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 结构光纤表面等离子体共振传感器的研究现状 1

1.1.1 微结构光纤表面等离子体共振传感器 1

1.1.2 准晶体结构光纤表面等离子体共振传感器 2

1.1.3 契形结构光纤表面等离子体共振传感器 2

1.1.4 侧边抛磨型光纤表面等离子体共振传感器 2

1.2 论文研究的目的及意义 4

1.3 论文研究的内容及章节安排 4

第2章 侧边抛磨光纤表面等离子体共振的理论基础 6

2.1 侧边抛磨型光纤表面等离子体共振的基本原理 6

2.1.1 侧边抛磨光纤的简介 6

2.1.2 光的全反射 7

2.1.3 普通光纤表面等离子体共振传感器的基本原理 8

2.1.4 侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器的基本原理 8

2.2 侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器的物理模型 9

2.2.1 三层膜结构 9

2.2.2四层膜结构 12

2.3本章小结 13

第3章 侧边抛磨光纤表面等离子体共振的仿真分析 14

3.1不同金属膜对侧边抛磨光纤SPR效应的影响 14

3.2 金属膜厚度对侧边抛磨型光纤SPR效应的影响 15

3.3 侧边抛磨光纤的剩余厚度对侧边抛磨型光纤SPR效应的影响 16

3.4 金属膜的氧化对侧边抛磨型光纤SPR效应的影响 18

3.5 本章小结 20

第4章 总结与展望 22

参考文献 23

附录 24

致谢 31

第1章 绪论

1.1 结构光纤表面等离子体共振传感器的研究现状

光纤SPR传感器具有质量轻、稳定性好、能抗电磁干等多种优点，并且可以实现实时远距离在线检测，在化学、生物与医疗研究等多种领域都有着广泛的应用前景。通过改良传感器的结构，从而可以优化共振激励模型，这种方法可以提高光纤SPR传感器的灵敏度。近几年来，为了降低传感器的成本、提高传感器的灵敏度、扩大共振波长的范围，国内外主要集中在对光纤SPR传感器的结构和材料的创新的研究上，到目前为止，已经研究出了多种结构的光纤SPR传感器。

1.1.1 微结构光纤表面等离子体共振传感器

微结构光纤SPR传感器是SPR传感技术微型化的自然延伸，具有轻便、灵敏、快捷等多种优点。微结构光纤预制棒的制作方式非常灵活，并且可以改变包层的气孔阵列。可以在靠近微结构光纤的纤芯的气孔内壁镀上金属薄膜 (如金膜或银膜 ), 而不必要像普通的光纤那样腐蚀掉包层部分或者拉伸成很细的锥，因此，可以使得传感器的设计不再存在封装的问题。与此同时，微结构光纤有利于等离子体和传导模式两者之间的相位匹配。在光纤的纤芯内引入小气孔，从而可以降低传导模的有效折射率, 这样就有助于纤芯传导模与等离子体波两者之间的共振耦合^[1]。

2006 年，Sazio^[2]等人提出了在镀上均匀的金属薄膜，可以利用高压化学沉积的技术来实现镀膜， 并初见成效。例如，80 nm厚度的光滑的金膜已经可以在微结构光纤空气孔内表面上被镀上了。他们所提出的这种制备方法除此之外还可以用于制作纤维集成光电器件，同样，还可以使得微孔光纤利用空气孔作为表面等离子体共振传感器成为了可能。