基于侧边抛磨双模光纤的表面等离子体共振传感器研究

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1、暨南大学硕士学位论文题名（中英对照）：基于侧边抛磨双模光纤的表面等离子体共振传感器研究ResearchonSurfacePlasmonResonanceSensorBasedonSide-PolishedTwoModeFiber作者姓名：汪雅君指导教师姓姓名及学位、职称：罗云瀚教授学科、专业名称：光学工程（专业学位）论文提交日期：2018年6月论文答辩日期：2018年6月答辩委员会主席：邓华秋教授论文评阅人：学位授予单位和日期：暨南大学硕士论文摘要表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance,SPR）传感器具有无需标记、能在

2、线实时检测等优点，可广泛应用于环境、农业、医疗以及食品安全等检测领域。提高传感器的灵敏度、结构简单并使传感器工作在可见光和近红外波段是SPR技术研究领域长久以来的研究目标。本文在总结了国内外光纤SPR传感器的研究现状后，以提高传感器的性能为研究目标，提出了基于侧边抛磨双模光纤的SPR传感器。分别以金（Au）和氧化铟锡（ITO）作为薄膜材料，进行了传感器的仿真设计和优化，以及实际制作和性能测试等方面的研究。本文的具体研究工作总结如下：(1)基于金膜的侧边抛磨双模光纤的SPR传感器研究(SPTMF/Au-SPR)。首先，利用有限元法完成了器件的仿真

3、分析和优化设计，仿真结果表明当光纤剩余厚度为72μm、金膜厚度为40nm时，在1.333-1.390RIU折射率范围内可得到最大的3705nm/RIU的平均灵敏度。其次，实验制作并测试了6只SPTMF/Au-SPR传感器，其光纤剩余厚度分别为69.79、71.23、72.24、69.89、71.31和72.34μm，金膜厚度均为40nm。测试结果表明在1.333-1.404RIU的折射率范围内，光纤剩余厚度为72.24μm所对应的传感器具有最高的灵敏度即2679.1nm/RIU，且半高全宽为82nm，则相应的品质因数为32.67RIU-1。其性

4、能相比于同课题组的基于多模光纤和单模光纤的SPR传感器具有显著提高：灵敏度分别提高了11.95%和36.6%，半高全宽分别降低了20.38%和34.40%，品质因数分别提高了40.64%和108.35%。(2)基于氧化铟锡的侧边抛磨双模光纤的SPR传感器研究(SPTMF/ITO-SPR)。首先，利用有限元法完成了器件的仿真分析以及优化设计。最优参数为：光纤剩余厚度为72μm，ITO厚度为150nm。此时在1.333-1.39RIU的折射率范围内，LP01和LP11a模式的平均灵敏度分别高达10400nm/RIU和10150nm/RIU。然后，实

5、验制作并测试了6只SPTMF/ITO-SPR传感器，其光纤剩余厚度分别为69.23、70.19、70.87、71.34、71.96和72.24μm，ITO厚度均为150nm。测试结I暨南大学硕士论文果表明当ITO靶材颗粒的纯度为99.99%、密度为7.1g/cm3时，光纤剩余厚度为72.24μm所对应的传感器具有最高性能，在1.333-1.360RIU的折射率范围内其平均灵敏度最高达到2128.76nm/RIU。本文的创新之处：（1）本文提出SPTMF/SPR传感器，以侧边抛磨双模光纤为基底的光纤SPR传感器，它具有结构简单、传输模式个数有限、

6、有效面积大和模式耦合可控制等优点。（2）本文提出的SPTMF/Au-SPR传感器，相比于基于侧边抛磨单模光纤和侧边抛磨多模光纤的SPR传感器，在灵敏度、半高宽和品质因数等方面均有显著提高。（3）本文提出的SPTMF/ITO-SPR传感器，以ITO作为膜层材料，可有效避免传统的金属膜在空气中被氧化的缺点，同时有效提高传感器的灵敏度；另外，可将谐振波长调节至近红外的通信波段，便于与现有的通信设备融合，在长距离传输、成本的降低等方面具有潜在优势。关键词：表面等离子体共振；折射率传感；侧边抛磨双模光纤；氧化铟锡；近红外II暨南大学硕士论文Abstrac

7、tSurfacePlasmonResonance(SPR)sensorshaveadvantagesoflabel-freeandonlinereal-timedetection,andcanbewidelyusedinvariousenvironmental,agricultural,medicalandfoodsafetymonitoringareas.Improvingthesensitivityofthesensor,itssimplestructure,anditsabilitytooperateinthevisibleandnear

8、-infraredbandsarethelong-standinggoalsofSPRresearch.Aftersummarizingtherese