摘 要

近年来，倏逝波理论已经被广泛地研究和应用于光纤探针、表面等离子共振传感器领域。然而在实际应用中，倏逝场的理论应用并不成熟，一定程度上影响了实验结果的准确性。本文旨在研究折射率不均匀的条件下倏逝场的建模与仿真，以拓宽倏逝场理论的应用范围。

本次设计主要通过建立三种不同方案，分别实现包层折射率不变、阶跃变化、梯度变化三种条件，并通过理论分析确定方案的可行性，最后利用Matlab软件仿真出三种不同条件下的光场和倏逝场分布，并进行分析比较。

研究结果表明：根据光纤包层折射率变化的不同，对应的倏逝场分布在同一折射率条件下呈现一定的变化规律，在不同折射率条件下变化规律相互关联却又不尽相同，从而确定不同条件下的倏逝场变化规律，提高倏逝场理论应用的准确性和合理性。

本文的特色及创新在于：通过对理想条件下倏逝场理论的分析，构建非理想条件下倏逝场模型，通过系统仿真总结变化规律，根据倏逝场的变化规律可以进一步完善倏逝场理论在非理想条件下应用的。

关键词：光纤光学；倏逝场；非理想条件；Matlab

Abstract

Evanescent wave theory has been widely research and application in the field of optical fiber probe, surface plasma on resonance sensors.However in the practical application of evanescent field theory is not mature, to some extent, affected the accuracy of experimental results.The purpose of this paper is to study the refractive index under the condition of uneven evanescent field modeling and simulation, in order to widen the application range of the evanescent field theory.

This design mainly through the establishment of three different schemes, respectively the package layer refractive index unchanged, the gradient changed, the step change, three conditions, and the feasibility of the scheme determined by theoretical analysis, the use of Matlab software simulation of three different conditions of light field and the evanescent field distribution, compared and analyzed.

The results show that depending on the optical fiber cladding refractive index changes, the corresponding evanescent field distribution under the condition of the same refractive index presented certain change rule, under the condition of different refractive index change law related is not the same again, to determine the change law of evanescent field under different conditions,and to improve the accuracy and rationality of the evanescent field theory application.

Characteristic and the innovation of this article is: through the ideal conditions of evanescent field theory analysis, build the evanescent field under the condition of ideal model, through the system simulation and summarizes the change law of according to the changing rule of the evanescent field can improve evanescent field theory in the application of non-ideal conditions.

Key words: fiber optics; evanescent field; non-ideal condition; Matlab

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2背景及现状 1

1.3主要内容及章节安排 3

第2章 理论基础 4

2.1 倏逝波理论基础 4

2.1.1 倏逝波的性质 6

2.1.2 倏逝波在均匀媒介中的衰减 7

2.2 光波在光纤中的传播 8

2.2.1 阶跃折射率光纤 8

2.2.2 梯度折射率光纤 9

第3章 系统的建模与仿真 10

3.1 光纤光场的理论分析与建模 10

3.1.1 方案一 理想条件下光纤倏逝场的建模与分析 14

3.1.2 方案二 包层折射率阶跃变化条件下光纤倏逝场的建模与分析 14

3.1.3 方案三 包层折射率梯度变化条件下光纤倏逝场的建模与分析 15

3.2 不同条件下的光纤倏逝场的仿真 15

3.2.1 方案一 理想条件下光纤倏逝场的仿真 16

3.2.2 方案二 包层折射率阶跃变化条件下光纤倏逝场的仿真 19

3.2.3 方案三 包层折射率梯度变化条件下光纤倏逝场的仿真 22

第4章 结论 26

参考文献 27

附 录 29

致 谢 34

绪论

麦克斯韦总结了电磁学方面的基本定律和实验成果，结合以菲涅耳、夫琅和费、托马斯等为代表的群体建立的波动光学体系，把光学现象和电磁现象联系起来，从而产生了光的电磁理论。在麦克斯韦电磁理论基础上，利用物质方程、边值关系来讨论平面光波，根据光从光密介质入射到光疏介质时在界面上的反射和折射特点，利用菲涅尔公式来讨论光波在界面上变化，从而建立起倏逝场理论。本章重点从倏逝波的应用背景入手，通过分析国内外基于倏逝波的研究成果及其现状，来确定本次设计的目的和意义。

1.1目的及意义

倏逝波通常是指光波从光密介质入射到光疏介质时，由于光波发生全反射而在光疏介质和光密介质的分界面上产生的一种电磁波。在科学研究中倏逝波理论的应用领域十分广泛，如光纤倏逝波生物传感器、光纤探针、表面等离子共振传感器等。其中光纤倏逝波生物传感器的原理是：通过光波在光纤中传播，由于光波发生全反射时在芯层与包层界面上产生倏逝波，根据产生的倏逝波来激发光纤纤芯表面标记在生物分子上的荧光染料，从而来检测通过特异性反应附着于纤芯表面倏逝波场范围内的生物物质的属性及含量，以此来确定外界环境变化对生物传感器性能的影响^[1]。随着人们对倏逝波的深入了解，倏逝场理论在越来越多领域得到建立和应用。

通过对光纤倏逝场传感器理论分析，从波动光学的角度来看，入射光在光纤中传播发生全反射时，全部反射回光纤纤芯中，光纤包层中不存在折射光，光在光纤中以全反射的形式向前传播。然而根据实际实验结果分析，当光波在光纤中传播时，在发生全反射的过程中，光波虽然被完全反射到芯层，但从能量角度对光纤包层和芯层介质进行分析时，可以检测到光纤包层中仍有一部分电磁波存在，能量并不是全部集中在芯层中^[2]。根据菲涅尔公式，光波在发生全反射过程中，纤芯和包层的临界面将会有电磁场穿过界面，而此时在界面法线方向的电磁场会以指数形式迅速衰减，其衰减速率与入射角和介质折射率都有关系^[2]。