基于微结构光纤的表面等离子共振复用传感器的研究

Microstructured optical fiber (MOF)-based surface plasmon resonance (SPR) sensor, which could not only easily satisfies the phase matching condition of guided mode with surface plasmon mode, also increase the sensitivity of the SPR sensor with increasing penetration depth of evanescent wave into analyte by designing the MOF. In order to meet the demands of high resolution refractive index measurement, firstly, MOF is designed to increase intensity of the evanescent wave and the mechanism is analysed of the MOF structure affecting the characteristic of SPR sensor. Secondly, a hybrid mental film is coated on the fiber to extend the dynamic range of SPR senors. The relationship is investigated between the components, ratio and coating method of the mental film with characteristic of the SPR sensor.Lastly,the multiplexing of the optical fiber-based SPR sensor is studied, and the demultiplexed method is researched. The key point of the study is to research the influenc of structure of MOF and characteristic of the hybrid mental film on the sensitivity and dynamic range of MOF-based SPR sensor, and to probe the multiplexing principle and demultiplexed method of MOF-based SPR sensor. The theoretical value and practical significance is important for the high resolution and distributed sensing area, including medical diagnoses, food security and enviroment monitoring.

基于微结构光纤的表面等离子体共振（SPR）传感器，不仅易于使导模与表面等离子体模之间的相位匹配条件得到满足，而且可以通过调节光子晶体光纤的结构参数，增强倏逝场强度，加大倏逝场进入被测对象中的深度，从而提高SPR传感器的灵敏度。本研究针对目前对高精度折射率变化测量的需求，首先通过分析微结构光纤的结构参数引起SPR传感器特性变化的机理，设计增大微结构光纤倏逝场强度的结构参数；其次为增大传感器的动态范围，采取混合金属膜对光纤进行涂覆，分析混合金属膜材料组分、各金属材料的配比及镀膜方式与SPR传感器特性之间的关系；最后研究微结构光纤SPR传感器的复用形式，探索此类传感器的复用与解调技术。本研究将着重研究微结构光纤的结构参数和混合金属膜的特性影响SPR传感器的灵敏度和测量动态范围的机理，并探索其复用机制与解调技术，对医疗诊断、食品安全和环境监测等领域的高精度及分布式传感具有重要的理论价值和实际意义。

基于微结构光纤的表面等离子共振（SPR）传感器是最具前景的一种SPR传感器结构，本项目研究了光纤SPR传感器最佳性能参数和复合金属膜对光纤SPR传感器特性的影响，并构建了基于简化型空芯微结构光纤的波分复用式传感系统，主要研究成果有：.1.基于光传输理论和表面等离子体共振理论，对光纤SPR传感器的最佳制作参数进行了理论研究，确定了薄膜厚度和传感长度两个重要的传感参数；.2.复合薄膜光纤SPR传感器与Au薄膜光纤SPR传感器的灵敏度相当，但在高折射率区具有最好的分辨率。而且内层Ti金属提高了薄膜的附着性能，同时扩大传感器的测量范围；.3.研究了简化型微结构光纤的传导机理、谐振波长与填充材料的折射率之间的关系、气孔间石英壁厚度对谐振波长的影响。研究结果表明，填充材料的折射率的增大对谐振波长形成明显红移调制，同时会增大光纤内光的传输损耗，归一化透射强度有8%~18%的减小；实现了简化型空芯微结构光纤气孔的完全填充。.4.构建了基于波分复用的微结构光纤传感系统，对波分复用的微结构光纤传感系统的结构进行设计和实验研究，研究波分复用的微结构光纤传感系统的特性，实验测试了各传感头之间的串扰情况，分析不同测量范围下串扰特性。.本项目研究过程中，项目组在国内外SCI、EI刊物或国际会议上发表学术论文5篇，申请国内发明专利1项，培养硕士研究生2名。项目组成员积极参加该领域的国内外学术会议，与国内外同行进行了深入的学术交流，推动了课题的顺利进行。.综上所述，本项目的研究提高了光纤SPR传感器应用性能及微结构光纤与填充材料相结合方面的应用，对研究探索光纤SPR传感器的实用化发展和微结构光纤复用传感器的机理和方法，具有重要的理论价值和实际意义。