高灵敏度光子晶体光纤SPR传感器的设计与研究.pdf

摘要

表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)传感器对外界样品折射率(Refractive

Index,RI)的变化非常敏感，具有高灵敏度、实时检测等优点。但是传统的SPR传感器的体积

较大，限制了其实际应用。而光子晶体光纤(Photoniccrystalfiber,PCF)SPR传感器不仅克服了

这一缺点，还具有灵敏度高、远程检测等优点。在生化传感、环境监测、细菌识别等领域展

现出巨大的优势。为提升传感性能，本文主要基于SPR的传感原理以及国内外现有的科研成

果，分别提出了D型单面抛光、双面抛光PCF-SPR传感器和偏芯PCF-SPR传感器。并且利

用有限元法研究分析传感器的性能，本文的主要研究内容如下：

1.以D型双面抛光PCF-SPR传感器为模型结构，探究了Au、Ag两种等离子体材料以及

TiO2对传感器性能的影响。结果表明，使用Au作为敏感层的传感器有更高的灵敏度，并且

涂覆TiO2比未涂覆TiO2的传感器灵敏度要高，这为后续的设计工作提供了依据。

2.提出了一种D型单面抛光PCF-SPR传感器，该传感器将光纤的一侧进行磨抛。在磨抛

的平面上涂覆Au-TiO2复合膜作为等离子体材料，外侧为检测通道，方便检测。通过COMSOL

Multiphysics对其进行结构建模和仿真，并且优化其结构参数来获得最佳性能的传感器。结果

表明，传感器的检测范围为1.35-1.4，当外界样品分析物折射率为1.4时，波长灵敏度达到最

大为20,102nm/RIU。该传感器为外部传感，不仅灵敏度高而且制造和检测较为简单。

3.对单面抛光PCF-SPR传感器进行了改良，提出了一种D型双面抛光PCF-SPR传感器。

该传感器的上下两侧都进行磨抛，在磨抛面上涂覆Au-TiO2复合膜作为敏感层。结果表明，

双面抛光的设计使传感器拥有更高的灵敏度，在外界样品分析物折射率为1.42时，传感器的

波长灵敏度能达到22,100nm/RIU。此外还将该传感器运用于检测甲烷浓度中，仿真结果表明，

该传感器的平均气体灵敏度可以达到11nm/%。

4.提出了一种偏芯PCF-SPR传感器，偏芯的设计缩短了纤芯中心离金属薄膜的距离，增强

了纤芯模与表面等离子体激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPP)模的耦合。进一步提升了传感

器的性能。结果表明偏芯的设计使传感器拥有更好的性能。在外界样品分析物折射率为1.4

时，传感器的波长灵敏度达到最大为20,360nm/RIU，传感器的检测范围为1.33-1.4。并且将

该传感器用于检测水中病原体，仿真结果表明该传感器对水中霍乱弧菌、大肠杆菌、炭疽芽

孢杆菌以及粪肠球菌的波长灵敏度分别为2,685nm/RIU、4,409nm/RIU、3,344nm/RIU、4,524

nm/RIU。与单面抛光D型PCF-SPR传感器相比，偏芯PCF-SPR传感器有更高的灵敏度和更

宽的检测范围，可以广泛地应用于气体检测、生物传感等领域。

关键词:表面等离子体共振，光子晶体光纤，折射率，灵敏度

Abstract

SurfacePlasmonResonance(SPR)sensorsarehighlysensitivetochangesintherefractive

index(RI)ofexternalsamplesandhavetheadvantagesofhighsensitivityandreal-timedetection.

However,traditionalSPRsensorsarebulky,whichlimitstheirpracticalapplication.Photonic

crystalfiber(PCF)SPRsensorsnotonlyovercomethisdisadvantagebutalsohavetheadvantages

ofhighsensitivityandremotedetection.Theyshowgreatadvantagesinfields