基于高双折射多芯光子晶体光纤的表面等离子体传感器研究

Photonic crystal fiber (PCF) is attracted more and more attention since it can be perfectly combined with the highly sensitive surface plasmon sensing technology. Nowadays, surface plasmon resonance (SPR) sensors based on birefringent PCF have broad application prospects in optical fiber sensor systems. However, the present study of SPR sensors based on birefringent PCF mainly focused on the visible light wavelength region, and the investigation on SPR sensors based on birefringent PCF over 1.4～1.7 μm wavelength band is still unpublished. Therefore, several new types of SPR sensors based on high birefringent PCF over 1.4～1.7μm wavelength band will be discussed in this program. Furthermore, for the purpose of overcoming the drawback of the existing SPR sensors based on birefringent PCF, several new types of SPR sensors based on high birefringent multi-core PCF are proposed in this program. The guided mode feature and the resonance properties in our proposed SPR sensors will be studied, and the influence of sensor parameters on sensing performance will be investigated in detail. The research of this program will provide scientific and theoretical basis for drawing these high-performance sensors and the scope of application of these SPR sensors will be further expanded.

光子晶体光纤由于可以与高灵敏探测的表面等离子体传感技术完美结合在一起而备受关注。如今，基于双折射光子晶体光纤的表面等离子体传感器在光纤传感系统中具有极为广阔的应用前景。但是，目前对基于双折射光子晶体光纤的表面等离子体传感器的研究主要集中在可见光波段，而对1.4～1.7 μm波段的研究至今尚未见报。基于此，本项目将对该波段的双折射光子晶体光纤表面等离子体传感器进行研究。此外，本项目首次将高双折射多芯光子晶体光纤应用到表面等离子体传感器中以解决同类传感器所存在的问题。重点研究传感器内的模式特性和模式共振特性，系统分析传感器的结构参数对其传感性能的影响。本项目的研究将为拉制出这些高性能的传感器提供科学的理论依据，同时还将为进一步拓展此类光纤传感器的应用范围提供一种行之有效的方法。

基于双折射光子晶体光纤的表面等离子体传感器具有高灵敏、免标记、实时监控等优点，在环境检测、安全生产、医学诊断等领域具有广阔的应用前景。但是，当前对基于双折射光子晶体光纤的表面等离子体传感器的研究主要集中在可见光波段。针对这一问题，本项目对可用于近红外波段的双折射光子晶体光纤表面等离子体传感器展开研究。具体研究内容如下：1、设计了两种新型高双折射六芯光子晶体光纤表面等离子体传感器。重点研究了传感器的模式共振特性，详细分析了传感器的结构参数对其传感性能的影响，并通过优化这两种传感器的结构，获得了高达10^-6 RIU的折射率分辨率和10^3 nm/RIU的波长灵敏度。2、设计了一种新型双折射双芯光子晶体光纤表面等离子体传感器。系统研究了传感器的共振特性，发现该传感器不仅可以在1.548～2.796 μm的超宽带波长范围内进行工作,而且其最高波长灵敏度和折射率分辨率分别高达17900 nm/RIU，5.59 × 10^–7 RIU。3、提出了一种四芯光子晶体光纤表面等离子体传感器。详细研究了传感器的模式共振特性，发现该传感器可以在1.548～2.683μm的超宽带波长范围内实现高达11350 nm/RIU的平均波长灵敏度和550 RIU^-1的最大振幅灵敏度。4、设计了两种圆形晶格结构的双折射光子晶体光纤表面等离子体传感器。研究发现这两种传感器的最大波长灵敏度分别高达17600 nm/RIU和9600 nm/RIU。本项目的研究将为拉制出这些高性能的传感器提供科学的理论依据，同时为进一步拓展此类光纤传感器的应用范围提供一种潜在的方法。