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1、聚合物光子晶体光纤SPR 传感研究研究意义光纤传感器是以光为载体,以光纤为传输介质,对被测参量 实现传感的器件。上世纪八十年代,低损耗石英光纤的拉制成 功并进入商业化,使得光纤传感技术显示出了广阔的应用前景， 各个国家对传感器的重视程度也随之提高，比如美国和日本都 将传感技术列为重要的技术。自此以后,对光纤传感器的研究始 终作为传感器技术发展的前沿课题。我国的科技攻关项目计划 和863计划中也把对于传感器的研究放到了重要位置。新型传感 器的研究和设计对于传感领域的科学发展与技术进步都有极其 重要的意义，研究结构新颖、功能强大、性能优良传感器是传 感领域研究工作者的追求目标。光子晶体光纤传感技术
2、正在迅 猛的发展，其在各个领域的应用必将为中国经济发展带来巨大 的效益。论文结构第一部分： 介绍光子晶体光纤技术和SPR传感技术。第二部分： 介绍COMSOL 软件，以及模型的建立过程。第三部分： 通过所建模型来研究聚合物光子晶体光纤 SPR传感器的传感特性。光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）也称为微结构光 纤或者多孔光纤（Holy Fiber, HF），它是基于光子晶体的概念产 生的。光子晶体是一种人工构建的光物理功能新材料，它的介电 常数以光波长的数量级为周期而呈现周期性变化，光子晶体最根 本的特征是具有光子带隙（Photonic Band Gap, P
3、BG）结构，频率 落在PBG 中的光将禁止在这种材料中传播。光子晶体光纤简介聚合物光子晶体光纤以聚合物为原料制备成的蜂窝状排布的多孔的微结构光纤称 为聚合物光子晶体光纤，澳大利亚的MartignA.等人于2001年首先 报道了这种光纤。由于石英光子晶体光纤拉制的要求比较苛刻，温度高达2000 摄氏度上要求温度波动小等，制备出的光子晶体光纤目前成本和 价格比较高。而聚合物光子晶体光纤拉制温度低于200度，对温度 波动要求没有石英严格，易于制备、成本低；在材料上可以方便 的进行改性和利用材料不同的特性可制备出具有不同功能和特性 的聚合物光子晶体光纤；这些优点增加了聚合物光子晶体光纤的 竞争能力。聚
4、合物光纤的制作材料有很多，主要包括聚甲基丙烯 酸甲酯（有机玻璃）、聚碳酸酯、全氟化物聚合物、聚苯乙烯等。 纤芯材料一般为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)。起初 研制的聚合物光纤损耗非常大，高达500dBb/km以上。光子晶体光纤特性相对于传统光纤，光子晶体光纤具有许多新颖独特的光 传输特性，主要有无截止单模传输、色散灵活可控、大模场 面积、高双折射效应、高非线性。光子晶体光纤数值计算方法目前最常用的数值分析方法有:有效折射率法、平面波展开法、多极法、有限差分 法、光束传输法、有限元法。表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是 发生在金属和
5、电介质界面的一种物理光学现象，利用光在界 面处发生全内反射产生的消逝波引发金属表面的自由电子相 干振荡，产生表面等离子体激元。当调整入射光角度或波长 到某一值时，光耦合进入金属薄膜，与金属表面的等离子体 激元发生共振，入射光的能量部分转移到表面等离子体激元 中，使其沿分界面纵向传播形成表面等离子体波，从而造成 全反射光强的减小，形成透射谱的凹陷 。表面等离子共振简介光子晶体光纤SPR传感技术基于光子晶体光纤的 SPR 传感器，是指 在光子晶体光纤的空气孔壁上沉积金属 纳米颗粒或纳米薄膜，增强其 SPR 效应， 待测物质填充在镀有金属薄膜的空气孔 中，通过分析填充的被测材料的折射率 变化对传输光
6、特性的影响，可以获得被 测材料的信息。 COMSOL Multiphysics软件简介COMSOL Multiphysics (多重物理量耦合)原名 Femlab 即有 限元方法实验室缩写,是使用有限元方法进行多场耦合的一种 专业计算软件。COMSOL Multiphysics 具有强大的数值计算能 力和视图能力，并能和MAJLAB相结合，适用于模拟科学和工 程领域的各种物理过程，尤其是具有杰出的多物理场直接耦 合分析能力，在数值仿真这方面得到了很广泛的应用，当今 世界科学家和广大的学者称它为第一款真正的任意多物理场 直接耦合分析软件。建模过程打开COMSOL Multiphysies程序，在
7、模型导览视窗下选取： 空间维度2D射频模块/垂直波/混合模波/模式分析。单击 多重物理量,新增2D垂直混合波模式分析模型。应用模式状态界面大模场面积光子晶体光纤结构示意图求解域设定窗口边界条件设定：外部边界选完美磁导体 ，内部边界选连续边界应用纯量变量对话框网格划分求解器参数设定然后通过后处理菜单下的显示参数设置寻找基模绘图参数窗口聚合物光子晶体光纤SPR传感器光子晶体光纤的气孔非常小，在微小的气孔中度 金属膜或者填充物质都有很大的难度，又费时又费力。 本章我们介绍了一种不需要在气孔中填充物质的聚合 物光子晶体光纤来实现SPR传感。这种光纤只在靠近光 纤边缘的地方有一层空气孔，结构非常简单。金
8、属膜 也不用镀在气孔中，只要镀在光纤外部侧面，待测物 质也是在光纤表面检测，十分的方便，不需要填充到 小孔中检测，而且可靠性高、灵敏度、稳定性都很高， 还方便重复使用。光子晶体光纤基模光场损耗系数与波长的关系=4/Im（neff ）光场损耗系数：折射率分辨率：光强检测灵敏度曲线改进的空芯大模场面积光子晶体光纤结构示意图基模光场分布图改进的大模场光子晶体光纤波长与基模损耗系数关系图光强检测灵敏度曲线总结本文利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对聚合物 光子晶体光纤SPR传感器进行了数值计算和仿真分析。通过从 共振光谱检测和光强检测等分析方法讨论了他们的基模限制 损耗与灵敏度特性。数值表明这种设计有良好的传感效果， 检测灵敏度在8x10-5RIU9x10-5RIU之间。而且这种传感器 不需要将金属膜度在微小气孔中，待测物质也不需要放在微 小气孔中。大大简化了光纤制作的难度和操作的复杂程度。 而且方便重复使用，有较高的可靠性和灵敏度。致谢大学本科的学习生活即将结束。在此，我要 感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学， 他们在我的成长过程中给予了我很大的帮助。本 文能顺利完成要特别感谢我们的指导老师。谢谢观赏
