基于D型光子晶体光纤表面等离子体共振传感技术研究

The surface plasmon resonance (SPR) photonic crystal fiber (PCF) sensor combined high sensitivity of SPR with excellent transmission characteristics of PCF will have broad application prospects in biology, chemistry, environmental science, and so on. But so far，there is still a lack of practical implementation. The LMA-15 PCF is selected as a D-sharped SPR-PCF sensor after ablating on the side by CO2 laser, metal nano-coating and coating or immersion tested microfluidic on the surface of the D-shaped groove. Simultaneously, a high-power supercontinuum fiber laser is used as a light source. The finite element method (FEM) is used to analyze mode filed characteristics and optimize the D-sharped SPR-PCF sensor design in order to improve sensing sensitivity. The advantages of the project are as following: The problem of the fibers coupling can be effectively solved for no end face coating, SPR can be easily formed because the D-sharped groove close enough to the core region, surface coating could fully guarantee the thickness and uniformity of the metal film, the filling of the microfluidic is still opening and so the device can be reused after cleaning. The sensor with simple and efficient, low cost, high reliability and high sensitivity advantages can meet the actual needs of measurement and control, which is very important for the development of the sensor.

基于表面等离子体共振（SPR）的光子晶体光纤（PCF）传感器，同时具有SPR的高灵敏特性以及PCF的优良传输特性，在生物学、化学、环境科学等领域中具有广泛的应用前景，但迄今为止尚缺乏切实可行的实现方案。本项目提出利用CO2激光器在LMA-15型PCF侧方烧蚀开孔形成D型PCF，在D型凹槽进行金属纳米镀膜，之后涂覆或者浸入待测微流体，高功率超连续谱光纤激光器为光源，实现D型SPR-PCF传感测量。采用限元法（FEM）对模场特性和影响SPR产生的因素进行优化分析，提高传感灵敏度。项目优势是：避免了端面镀膜，能够有效解决光纤之间的耦合问题；D型凹槽可以距离纤芯区域足够近，易于形成SPR；表面镀膜能够充分保证金属薄膜的厚度以及均匀性；待测微流体的填充也是开放式的，清洗后可重复使用。本项目的研究能够满足实际的测控需求，具有简单高效、成本低、可靠性高和灵敏度高的优势，这对传感发展具有非常重要的意义。

基于表面等离子共振的光子晶体光纤传感器解决了光纤传感器的相位匹配问题和待测液体填充问题。因其具有体积小、灵敏度高、设计灵活等优势，在系统集成和远程传感方面具有广阔的应用前景而受到关注。.本项目结合光纤传感技术的应用场景分别在高灵敏度检测、高动态折射率检测范围和简化分析物填充操作等方面研究了多种结构的光子晶体光纤传感技术：具有椭圆空气孔的D形光子晶体光纤传感器，调整空气孔参数和打磨深度，实现了高达10200 nm/RIU的波长灵敏度和501.92 RIU-1的幅值灵敏度；研究双芯光子晶体光纤传感器，结合表面等离子体共振原理和耦合理论实现高动态折射率检测范围。优化参数后，液孔与纤芯包层第一层空气孔的包络线相切，灵敏度为4028 nm/RIU，R2值为0.99822，具有良好的线性度；研究带勒洛三角形的光子晶体光纤传感器，引入较低折射率的液芯并增大弧半径得到灵敏度更高的光纤传感器。更进一步地，抛磨镀金膜通道置入分析物，不影响共振峰位置，可以方便的填充分析物，最大波长灵敏度为10200 nm/RIU，分辨率为9.8×10-6 RIU；设计并研究了新D型MOF传感器，D型孔可无限扩充，将光纤浸入待测液体中，有效解决待测液体的填充问题，调整空气孔参数和纤芯距离，可实现待测液体折射率1.33-1.40的检测范围，波长灵敏度高达10100 nm/RIU；研究了双通道MOF传感器，利用双通道结构优势可实现两种液体同步检测，突破传统MOF传感器分时复用的限制，提高样品检测效率，通过介质层的优化，提高双通道的鉴别能力，并在此基础上提出平抛结构，便于待测液体填充。.项目研究内容对促进高灵敏度SPR技术在生化传感技术的实用化发展，降低多样品检测过程中的操作复杂度，将在生物检测领域，有毒有害的有机物检测领域和食品安全检测领域发挥重要的作用。