固体光谱学.docx

1、固体光谱学什么是光纤?光纤是光导纤维的简称，是由一组光导纤维组成的用于传播光束的，细小而柔韧的传输介质。它是用石英玻璃或者特制塑料拉成的柔软细丝，直径在几个m（光波波长的几倍）到120m。就象水流过管子一样，光能沿着这种细丝在内部传输。光纤的构造一般由3个部分组成：涂覆层，包层，纤芯，如图：光纤内部一共有两种光折射率，纤芯的折射率为n1，包层的折射率为n2，由于所掺的杂质不同，使包层的折射率略低于纤芯的折射率，即n2n1。在石英玻璃光纤中，包层的折射率仅比纤芯层的折射率略低一点。按几何光学的全反射原理，光线就被束缚在纤芯中进行传输了。光纤的类型最常见的划分方式是将光纤分为单模光纤和多模光纤。光

2、纤中光线通过的部分被称为光纤的纤芯，并不是任何角度的光都能进入纤芯的，要进入纤芯，光线的入射角必须在光纤的数值孔径范围内。一旦光纤进入了纤芯，其在纤芯中可以使用的光路数也是有限的，这些光路被称为模式。如果光纤的纤芯很大，光线穿越光纤时可以使用的路径很多，光纤就称为多模光纤。如果光纤的纤芯很小，光线穿越光纤时只允许光线沿一条路径通过，这类光纤就称为单模光纤。1.单模光纤所谓单模光纤(SingleModeFiber)，就是指在给定的工作波长上只能传输一种模态，即只能传输主模态，其内芯很小，约8-10m。由于只能传输一种模态，就可以完全避免模态色散，使得传输频带很宽，传输容量很大。这种光纤适用于大容

3、量，长距离的光纤通信。它是未来光纤通信和光波技术发展的必然趋势：2.多模光纤所谓多模光纤（Multi Mode Fiber）就是就是指在给定的工作波长上，能以多个模态同时传输的光纤，多模光纤能承载成百上千种的模态。由于不同的传输模式具有不同传输速度和相位，因此在长距离的传输之后会产生延时，导致光脉冲变宽，这种现象就是光纤的模间色散（或模态色散）。由于多模光纤具有模间色散的特性，使得多模光纤的带宽变窄,降低其传输的容量，因此仅适用于较小容量的光纤通信：光子晶体光纤表面等离子体传感器光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF)与传统光纤相比，具有很多新颖的特性，使得它在光纤

4、传感、光纤通信、光纤器件等研究领域发挥着不可磨灭的作用。尤其在光纤传感领域，光子晶体光纤表面等离子体共振传感器是将这种新型光纤与可以完成高灵敏度探测的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感技术有机结合起来的产物。光子晶体光纤(PCF)也称为微结构光纤或者多孔光纤,它是基于光子晶体的概念产生的。光子晶体最根本的特征是具有光子带隙（Photonic Band Gap, PBG）结构，频率落在PBG 中的光将禁止在这种材料中传播，光子晶体对光子完美控制。光子晶体光纤通常是由石英和空气孔组成，空气孔沿光纤轴向呈现严格的周期性排列，从而形成二维光子晶体结构，具

5、有 PBG 效应。通过在二维光子晶体结构中引入一个线缺陷，形成不完全的 PBG 结构，光子晶体光纤就是利用这种不完全的PBG 结构导光的，一定频率范围内的光束缚在缺陷内传播，这种基于 PBG 效应导光的光子晶体光纤又可以称为光子带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）。光子晶体光纤可以进行微结构设计，它的空气孔径、空气孔间距、空气孔形状、空气孔排布等这些参量的变化都会影响光子晶体光纤的传感特性。表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是一种显著的物理光学现象。当特定的电磁波照射在金属表面时，它会与金属表面的自由电子发生相互作用，此时电磁波的能量被吸收，从而引

6、发 SPR 现象。 光子晶体光纤 SPR 传感器是指将一层金属纳米薄膜镀在这种新型光子晶体光纤的空气孔内表面上，当特定的电磁波与金属表面的自由电子相互作用时，就会激发 SPR，而在镀有金属纳米薄膜的空气孔中填充待测样品，当待测样品的折射率发生变化，这种变化会对传输光特性产生一定的影响，对这种影响进行分析，从而可以获得待测样品的信息。对传感器的研究内容：传感模型的结构和传感特性的分析方法1，光子晶体光纤表面等离子体共振传感器的分析方法：损耗谱分析法、双折射分析法2，光子晶体光纤的数值计算方法：有效折射率法、有限差分法、平面波法、多极法、有限元法。其中有限元法是运用最广泛的方法。本文提出并研究了基

7、于光子晶体光纤（PCF）的表面等离子体共振（SPR）传感器。通过调整光子晶体光纤的气孔尺寸，可以有效地调整芯导模的有效折射率（RI），并且传感器具有强的双折射特性。第二层包覆石墨烯银双金属层的替代孔用作分析通道，可以避免相邻干扰，提高信噪比。石墨烯的优良特性不仅解决了银的氧化问题，而且增加了分子的吸附能力。我们从理论上分析了光子晶体光纤的空气孔的大小，石墨层和银层厚度对传感器性能的影响，采用波长和振幅进行研究。我们得到的波长敏感性为2520 nm/RIU与3.97105 RIU的高分辨率，可用于开发高灵敏度、实时、快速反应和分布式SPR传感器提供了一个参考。如图1所示，传感器的包覆层由两层六角

8、形布置的空气孔构成，其核心是中心气孔。该结构可以用标准的堆栈和绘制方法制作。中心孔用于降低核心导模的RI，以便于与等离子激元模式的相位匹配。非对称结构所造成的两个大洞在第一层导致强烈的双折射，这有助于耦合光进入一个特定的方向，从而在x偏振共振峰比y更敏感和更强大。第二层的气孔，有选择性地用石墨烯银双金属层覆盖它，与完全包覆结构比较，展示了更好的信噪比（SNR）。此外，石墨烯银双层金属包覆传感器与石墨金双金属层 11, 22 和更敏感的金-银双金属层 23 相比，显示出更清晰的共振峰。金属层的涂层可以用化学气相沉积技术 24 或湿化学沉积技术进行 25 。一个或几个层的石墨烯可以分离和沉积在银表

9、面上，可以使用几种可用的技术 26, 27 。如 28 和 29 所述，选择性涂层和分析物填充是可能的。在图中，优化结构参数 = 2 m, dc/ = 0.5, d1/ = 0.5, d2/ = 0.8, d3/ = 0.9, tAg = 50 nm, tAg是银层厚度。纤维材料是石英和RI是由Sellmeier方程确定：其中 A1 = 0.696166300, A2 = 0.407942600, A3 = 0.897479400, B1 = 4.67914826 10-3 m2, B2 = 1.35120631 10-2 m2, B3 = 97.9340025 m2. 石墨烯的RI值可由以下

10、公式获得：其中，C1 = 5.446 m-1，是光在真空中的波长。每一层石墨烯的厚度为0.34纳米。在石墨烯层的总厚度为0.34L，其中L是石墨烯层数。在图1中，L9。银的RI是由光学手册给出。有限元法（FEM）是用于使用COMSOL Multiphysics软件计算。我们利用完全匹配层（PML）作为边界条件，将传感器的整个部分划分为多个三角形子域。网格单元的总数是183578。如图1所示，模态分析的模拟是在XY平面上进行的，而光的传播是沿z方向进行的。图中显示了被测物RI NA = 1.33时，核心引导模式和等离子体模式的色散关系和电场分布。我们使用类高斯模式作为核心的引导模式。如图所示，核

11、心模式表现出强烈的双折射两Neff曲线（黑色实线和黑色虚线）的芯导模，对于相同折射率的分析物，等离子体模式（红色实线）和两个共振峰（蓝色实线和蓝色虚线）产生两交点（点D、E） 。共振发生在核心引导模式的Neff的实部（RE（Neff）和表面等离子体共振模式匹配的点。我们定义的核导模式组成部分为与Y轴极化方向平行的Y偏振模式，与极化方向正交的为x偏振模。正如我们已经看到的，x偏振模比Y强多了。我们计算的分析物RI范围从1.33到1.35以0.005为梯度分析传感器的性能。如图所示，共振峰移向长波长，峰值损失随Na的增加而增加。根据式： 波长的敏感度分别是1800, 2000, 2600，和340

12、0 nm/RIU。该传感器对RI变化大的分析物波长灵敏度要高一些。这是因为当Na接近Neff的核心的导（约1.45），核心的导模和表面等离子体共振模式将增强之间的耦合，从而导致更高的波长灵敏度和较大的峰值损失。 本文详细研究了侧面抛光光子晶体光纤（PCF）表面等离子体共振（SPR）传感器的折射率传感特性。采用有限元方法研究了侧抛光深度、气孔尺寸、晶格常数和折射率（RI）对传感性能的影响。仿真结果表明，侧面抛光深度、气孔大小、晶格间距有重大影响的核心模式间的耦合强度和表面plasmon polaritons（SPPS），但对灵敏度的影响小；耦合强度和灵敏度会显著的RI的PCF材料减少而增加。对D

13、型光纤传感器的灵敏度达到21700 nm/RIU在1.33-1.34折射率的环境高，当光纤材料的折射率控制在1.36。提出了一种制作超高灵敏度SPR光纤传感器的新方法。然后，实验研究了基于侧面抛光单模光子晶体光纤的SPR折射率传感器，并对其传感性能进行了研究。等离子体共振波长灵敏度的实验结果与理论结果吻合得很好。提出的金型光子晶体光纤SPR传感器可以作为一种简单、性价比高，在生物化学检测的高灵敏度的装置。 图中显示了偏振光纤芯模式的实部，表面等离子体激元（SPP）和y偏振光的基本核心模式在不同波长时，Na=1.33，= 7.8m，D = 3.6微米，和H = 0.4的限制损耗图形。图中，随着波

14、长的增加，偏振的基本核心模式的限制损耗先增大后减小。在y方向核心模式折射率的实部等于SPP模式的折射率的值，也就是说，它是为满足相位匹配条件，核心模式的偏振损耗在= 602 nm处达到最大值。 假设分析物的折射率从1.33变化到1.34。根据定义，波长灵敏度：其中 res 是D型光纤传感器的表面等离子体共振波长，n被分析物的折射率。约束损耗： 其中k0 = 2 / 。 Coexistence of positive and negative refractive index sensitivity in the liquid-core photonic crystal fiber based

15、plasmonic sensor液芯光子晶体光纤等离子体传感器中正折射率和负折射率灵敏度的共存摘要：本文介绍了一种液体核心的光子晶体光纤传感器的特性。采用有限元法对耦合性能和传感性能进行了研究。研究发现，不仅是等离子体模色散关系，而且基本模式色散关系对分析折射率(RI)相当敏感。在设计方案中，正面和负RI的敏感性并存。当SPP模式有效指数的增量大于基本模式时，它具有正向的RI敏感性。一旦基本模式的增量增大，传感器就显示出负的RI敏感性。在1.50 - 1.53的传感范围内，最大负RI灵敏度为5500nm / RIU(折射率单位)。研究了结构参数对等离子体激振的影响，并对其进行了优化和优化共振谱

16、。1.介绍光纤表面等离子体共振(SPR)传感器由于其独特的无标签感知特性，对金属层周围介质的性质极为敏感，因此，光纤表面等离子体共振(SPR)传感器是最有前途的生物传感平台。在过去的几十年里，光子晶体纤维(PCFs)在纤维长度上有规律的六角形排列，为封闭的光纤等离子体传感开辟了一条新的道路。基于PCFs的SPR传感器是光子技术、等离子体科学和涂层技术相结合的产物，已经解决了相匹配和包装问题。其中，利用颈下区和注射器对PCF中气孔的选择性涂层进行了纳米级银膜的制备研究，并得到了张磊等7的研究。嵌金和银纳米线的PCFs。此外，m . a . Schmidt等人也成功地制造了PCFs中的SPR现象，

17、首次以8,9为特征。然而，在这些广泛研究的pcf - spr折射率(RI)传感器中，只有等离子体模式，有效指标受不同分析物的影响，其有效指标几乎独立于分析物3 - 6,11。PCFs的一个有趣的特点是，它们的性能可以通过填充部分或全部液体的气孔来进行修改。通过测量带隙边缘位移，研究了一个空心微结构的微结构聚合物光纤，其所有的空气孔都充满了液体来执行一个RI传感器。对一系列水芯PCFs的光学特性进行了数值研究。数值结果显示，该样品的损失和重叠度显著提高，表明传感器性能的直接改善13。因此，动态优化核心模式有效指数，增强光与样本之间的相互作用是非常重要的，可以通过引入液体填充的核心来代替固体玻璃芯

18、来实现，在PCFs中产生孔的方便性。新开发的液体填充核心PCF折射率传感器基于双核心定向耦合器模型，感应能力是由两个不同的波导相匹配来执行的。、液芯模式和实体玻璃芯模式。然而，在等离子体传感平台上，没有对具有液态核的PCFs进行研究，这是不受精确控制的耦合长度类似于定向耦合器结构。此外，具有高RI分析的等离子体传感器能够检测到一些高的RI样品，而之前报道的大部分pcf - spr传感器的上探测极限低于硅玻璃。在此工作中，我们报告了一种利用液体-核心光子晶体光纤(LCPCF)的封闭式光学SPR传感器设计，并基于有限元方法提出了一种综合的数值分析方法。在等离子体传感方案中，第一次发现负的RI敏感性

19、，这是我们最好的知识。新型传感器的设计也为检测分析物提供了一种新的检测方法。介绍了一种详细的lcpcf - spr传感器设计和理论建模。2、在第3章中分析了传感器的传感性能，然后在第4条中对等离子体激振进行了校正，最后在第5秒内得出结论。2、结构设计和理论建模图1(a)描述了所提议的lcpcf - spr传感器的横截面。指导型LCPCF由三层六角形排列的空穴组成，在第二层的相应的气孔中，通过一个比硅衬底更大的RI的分析，形成六个液态岩心。这些核数按顺时针方向编号为1 - 6，阿拉伯数字表示对应的核。对于每一个单独的核心，更高的RI分析可以保证指数导向机制和全内部反射条件。新的设计与之前的pcf

20、 - spr传感器配置有很大的不同，它包含了一些紧密排列的金属分析通道。图1(a)中的单金属通道有效地消除了相邻通道间的干扰。因此，可以提高传感器的信噪比(信噪比)，保证金属通道的均匀性。底层的六角晶格的中心距是= 2m,中央的外径金属分析物频道,包层空气孔直径和液芯,dc = 0.8d1 = 0.5和d2 = 0.8,分别。金层的厚度固定在t = 40nm处。我们假设LCPCF是由硅玻璃构成的，它的折射率为1.45，而包覆的孔洞中充满了空气，空气的折射率= 1.0。对na的分析从1.45到1.53不等。黄金的介电常数由德鲁德模型定义。利用完全匹配层条件的全矢量FEM求解器，求出了基本模态和表

21、面等离子体极化(SPP)模式的复传播常数。由于图1(b)所示的几何对称，只需要计算LCPCF截面的四分之一。我们用三角子域来离散计算面积。计算区域网格为15272个元素，自由度的数量为107337。该计算区域的垂直和水平边界分别布置了完美的导体(PEC)和完美的磁导体(PMC)人为边界条件。一个完全匹配的层(PML)用于匹配最外层。3、数值结果六个相同的液体磁芯具有一个C6v旋转对称的金属化分析通道，保证了一个偏振独立传播特性。设计方案实际上是一种多芯光纤，可以作为一种超结构，而LCPCF可以支持一组超模式，除了基本模式。一种详细的模式分析可以参考文献16。在此工作中，只分析了退化对的y极化基

22、本模式，并给出了na = 1.46的共振谱。传播损耗(定义在分贝每米11,(d B / m)= 40im(neff)/(ln(10)的基本模式展示不同的峰值的波长1036 nm,相应的谐振波长,表明从基本模式最大的能量转移到SPP模式。失峰与交叉口的重合，(c)在图2中，确认相位匹配耦合现象6。的insets在图2中,我们可以看到一个明显的电场之间的重叠的基本模式和SPP模式的谐振波长(插图(c),而字段都关在液芯和metal-analyte接口在一个波长远离共振波长(插页(a)、(b)(d)和(e)。我们之前的工作分析了在短波长的范围内，基本模损耗谱没有显示任何共振峰16，即。其中，基本模态

23、损耗谱具有单共振特性，不受其他高阶等离子模态的影响。lcpcf - spr传感器对分析的RI的变化非常敏感，不受相邻高阶谐振峰的影响，具有独特的性能。从1.45到1.49的计算结果如图3所示。我们可以看到，峰值波长随着分析RI的增加而趋向较长波长，但同时峰值损耗逐渐减小。这是因为SPP模式的色散关系向上移动，导致相位匹配点的红移。与此同时，由于增强的岩心-包覆指数对比度增加，使得基本模式场约束增加。当RI在1.45到1.46之间变化时，最大正RI灵敏度为3700nm / RIU，而相应的共振波长从999nm到1036nm。液芯光子晶体光纤表面等离子体共振传感器（LCPCF-SPR传感器）的检测极限是2.7106RIU，检测高RI分析物。也应该注意到，红移的经历随着na的增加而减小，因此，较高的RI分析物的灵敏度略有下降。它与之前的设计有很大的不同6。这一现象在基本模态和SPP模态有效指标都对所提出的LCPCF等离子体传感器设计中的不同分析物敏感，而只有电浆模色散关系依赖于上一种构型的样品RI。