聚合物光子晶體光纖SPR傳感研究第一頁，共30頁。研究意義光纖傳感器是以光為載體,以光纖為傳輸介質(zhì),對被測參量實現(xiàn)傳感的器件。上世紀八十年代,低損耗石英光纖的拉制成功并進入商業(yè)化,使得光纖傳感技術(shù)顯示出了廣闊的應用前景，各個國家對傳感器的重視程度也隨之提高，比如美國和日本都將傳感技術(shù)列為重要的技術(shù)。自此以后,對光纖傳感器的研究始終作為傳感器技術(shù)發(fā)展的前沿課題。我國的科技攻關(guān)項目計劃和863計劃中也把對于傳感器的研究放到了重要位置。新型傳感器的研究和設計對于傳感領(lǐng)域的科學發(fā)展與技術(shù)進步都有極其重要的意義，研究結(jié)構(gòu)新穎、功能強大、性能優(yōu)良傳感器是傳感領(lǐng)域研究工作者的追求目標。光子晶體光纖傳感技術(shù)正在迅猛的發(fā)展，其在各個領(lǐng)域的應用必將為中國經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大的效益。第二頁，共30頁。論文結(jié)構(gòu)第一部分：介紹光子晶體光纖技術(shù)和SPR傳感技術(shù)。第二部分：介紹COMSOL軟件，以及模型的建立過程。第三部分：通過所建模型來研究聚合物光子晶體光纖SPR傳感器的傳感特性。第三頁，共30頁。

光子晶體光纖（PhotonicCrystalFiber,PCF）也稱為微結(jié)構(gòu)光纖或者多孔光纖（HolyFiber,HF），它是基于光子晶體的概念產(chǎn)生的。光子晶體是一種人工構(gòu)建的光物理功能新材料，它的介電常數(shù)以光波長的數(shù)量級為周期而呈現(xiàn)周期性變化，光子晶體最根本的特征是具有光子帶隙（PhotonicBandGap,PBG）結(jié)構(gòu)，頻率落在PBG中的光將禁止在這種材料中傳播。光子晶體光纖簡介第四頁，共30頁。聚合物光子晶體光纖以聚合物為原料制備成的蜂窩狀排布的多孔的微結(jié)構(gòu)光纖稱為聚合物光子晶體光纖，澳大利亞的MartignA.等人于2001年首先報道了這種光纖。

由于石英光子晶體光纖拉制的要求比較苛刻，溫度高達2000攝氏度上要求溫度波動小等，制備出的光子晶體光纖目前成本和價格比較高。而聚合物光子晶體光纖拉制溫度低于200度，對溫度波動要求沒有石英嚴格，易于制備、成本低；在材料上可以方便的進行改性和利用材料不同的特性可制備出具有不同功能和特性的聚合物光子晶體光纖；這些優(yōu)點增加了聚合物光子晶體光纖的競爭能力。聚合物光纖的制作材料有很多，主要包括聚甲基丙烯酸甲酯（有機玻璃）、聚碳酸酯、全氟化物聚合物、聚苯乙烯等。纖芯材料一般為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。起初研制的聚合物光纖損耗非常大，高達500dBb/km以上。第五頁，共30頁。光子晶體光纖特性

相對于傳統(tǒng)光纖，光子晶體光纖具有許多新穎獨特的光傳輸特性，主要有無截止單模傳輸、色散靈活可控、大模場面積、高雙折射效應、高非線性。光子晶體光纖數(shù)值計算方法目前最常用的數(shù)值分析方法有:有效折射率法、平面波展開法、多極法、有限差分法、光束傳輸法、有限元法。第六頁，共30頁。

表面等離子體共振（SurfacePlasmonResonance,SPR）是發(fā)生在金屬和電介質(zhì)界面的一種物理光學現(xiàn)象，利用光在界面處發(fā)生全內(nèi)反射產(chǎn)生的消逝波引發(fā)金屬表面的自由電子相干振蕩，產(chǎn)生表面等離子體激元。當調(diào)整入射光角度或波長到某一值時，光耦合進入金屬薄膜，與金屬表面的等離子體激元發(fā)生共振，入射光的能量部分轉(zhuǎn)移到表面等離子體激元中，使其沿分界面縱向傳播形成表面等離子體波，從而造成全反射光強的減小，形成透射譜的凹陷

。表面等離子共振簡介第七頁，共30頁。光子晶體光纖SPR傳感技術(shù)基于光子晶體光纖的SPR傳感器，是指在光子晶體光纖的空氣孔壁上沉積金屬納米顆?；蚣{米薄膜，增強其SPR效應，待測物質(zhì)填充在鍍有金屬薄膜的空氣孔中，通過分析填充的被測材料的折射率變化對傳輸光特性的影響，可以獲得被測材料的信息。第八頁，共30頁。COMSOLMultiphysics軟件簡介COMSOLMultiphysics(多重物理量耦合)原名Femlab即有限元方法實驗室縮寫,是使用有限元方法進行多場耦合的一種專業(yè)計算軟件。COMSOLMultiphysics具有強大的數(shù)值計算能力和視圖能力，并能和MAJLAB相結(jié)合，適用于模擬科學和工程領(lǐng)域的各種物理過程，尤其是具有杰出的多物理場直接耦合分析能力，在數(shù)值仿真這方面得到了很廣泛的應用，當今世界科學家和廣大的學者稱它為第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件。第九頁，共30頁。建模過程打開COMSOLMultiphysies程序，在模型導覽視窗下選?。嚎臻g維度2D射頻模塊/垂直波/混合模波/模式分析。單擊多重物理量,新增2D垂直混合波模式分析模型。第十頁，共30頁。應用模式狀態(tài)界面第十一頁，共30頁。大模場面積光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖第十二頁，共30頁。求解域設定窗口第十三頁，共30頁。第十四頁，共30頁。邊界條件設定：外部邊界選完美磁導體，內(nèi)部邊界選連續(xù)邊界第十五頁，共30頁。應用純量變量對話框第十六頁，共30頁。網(wǎng)格劃分第十七頁，共30頁。求解器參數(shù)設定第十八頁，共30頁。然后通過后處理菜單下的顯示參數(shù)設置尋找基模第十九頁，共30頁。繪圖參數(shù)窗口第二十頁，共30頁。聚合物光子晶體光纖SPR傳感器

光子晶體光纖的氣孔非常小，在微小的氣孔中度金屬膜或者填充物質(zhì)都有很大的難度，又費時又費力。本章我們介紹了一種不需要在氣孔中填充物質(zhì)的聚合物光子晶體光纖來實現(xiàn)SPR傳感。這種光纖只在靠近光纖邊緣的地方有一層空氣孔，結(jié)構(gòu)非常簡單。金屬膜也不用鍍在氣孔中，只要鍍在光纖外部側(cè)面，待測物質(zhì)也是在光纖表面檢測，十分的方便，不需要填充到小孔中檢測，而且可靠性高、靈敏度、穩(wěn)定性都很高，還方便重復使用。第二十一頁，共30頁。光子晶體光纖基模光場損耗系數(shù)與波長的關(guān)系α=4π/λIm（neff）光場損耗系數(shù)：折射率分辨率：第二十二頁，共30頁。光強檢測靈敏度曲線第二十三頁，共30頁。改進的空芯大模場面積光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖第二十四頁，共30頁?；９鈭龇植紙D第二十五頁，共30頁。改進的大模場光子晶體光纖波長與基模損耗系數(shù)關(guān)系圖第二十六頁，共30頁。光強檢測靈敏度曲線第二十七頁，共30頁?？偨Y(jié)本文利用有限元仿真軟件COMSOLMultiphysics對聚合物光子晶體光纖SPR傳感器進行了數(shù)值計算和仿真分析。通過從共振光譜檢測和光強檢測等分析方法討論了他們的基模限制損耗與靈敏度特性。數(shù)值表明這種設計有良好的傳感效果，檢測靈敏度在8x10-5RIU——9x10-5RIU之間。而且這種傳感器不需要將金屬膜度在微小氣孔中，待測物質(zhì)也不需要放在微小氣孔中。大大簡化了光纖制作的難度和操作的復雜程度。而且方便重復使用，有較