微结构光纤表面等离子激元共振传感器设计开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

表面等离子激元共振传感技术作为一种优良的光学传感技术，具有免标记、实时检测、非接触无损伤测量等优点，广泛应用于生命科学、食品安全、环境检测、生物医学等领域。目前，商业化spr仪器多为基于光学棱镜结构的spr系统，但因使用传统光学元件和机械部件，系统体积庞大，难以用于遥感测量，限制了该类仪器的集成化和小型化。光纤spr传感技术的发展始于上个世纪早期，与光学棱镜spr系统相比，除了spr技术本征特点外，还具有体积小、价格低、灵敏度高、抗干扰性能好、尺寸加工灵活、微型传感系统、能够进行远程实时监测等优点。近年来，随着半导体技术、材料科学、光电子及传感器技术的进步，spr传感技术不断向高灵敏度、高选择性、小型化、智能化方向发展，结合当前各类微纳结构、纳米材料、微加工等技术的研究，基于不同光纤材料或光纤微结构并具有优良传感性能的光纤spr传感器不断出现。例如，作为新型光纤spr的典型代表之一，光子晶体光纤spr传感器具有普通光纤spr传感器不具备的光学性质，其特殊的多孔结构增加了设计的灵活性和多样性；采用光纤光栅器件制备的spr传感器，能够避免破坏光纤结构，降低了传统加工工艺的机械强度，在提升传感器稳定性和可靠性方面展现出优势；与纳米金属粒子、磁性纳米粒子等纳米材料结合，光纤spr传感器实现了在生化传感中增强spr效应，显著提升了灵敏度、探测下限、抗非特异性吸附等多方面传感性能；借助侧抛加工技术，用单模光纤也实现了spr传感，相比其他种类光纤spr传感器，该类传感器具有灵敏度高、信号噪声小的优点；此外，通过端面研磨技术制成的锥形光纤spr传感器具有诸多优良的传感性能，该传感器不但传感探头小，工作波长可调谐，而且还实现了多通道传感和气液相测量，受到了广泛关注。随着国内外学者对光纤spr传感器的不断关注和研究，光纤spr传感技术已成为当今spr技术发展的重要方向之一。

表面等离子体共振效应(surface plasmon resonance,spr)是存在于金属与非导电介质界面处的物理现象，对界面附近介质成分的微小变化非常敏感。结合了高灵敏度spr传感技术与低能耗光纤传输技术的光纤spr传感技术已在生化检测等多个领域应用。光纤spr传感器具有传输损耗小、能量利用率高、体积小、集成性好等诸多优点，受到了广泛关注，而如何提高光纤spr传感器的灵敏度和分辨率一直为研究的热点。

spr传感设备的小型化是当前spr生物化学检测技术的重要发展方向之一，小型化的光纤spr传感设备将进一步凸显光纤spr传感器结构简单、使用灵活、维护方便、适用于野外现场的优势.目前国外已有商品化小型spr传感设备的报道，国内对该类设备的研制仍然处于起步阶段.为适应不同领域和环境现场检测需要，开发小型化光纤spr传感设备对发展spr技术和推广其实用化具有重要意义。

2. 研究的基本内容和问题

本文首先对表面等离子激元共振传感技术的研究历史以及应用进行了概括，简要总结了光纤spr的基本理论，包括衰减全反射、倏逝波理论等。从理论上分析表面等离子激元共振的条件，引出棱镜型表面等离体激元共振传感器的结构及工作原理,在此基础上介绍光纤表面等离体激元共振传感器的结构及其特点。主要研究构建出终端反射式光纤spr传感器，再采用时域有限差分法对终端反射式光纤spr传感器进行数值仿真研究，分析现有光纤spr传感器的不足,对已有设计方案加以改进，并根据理论分析确定传感器结构参数,对光纤结构进行优化，期望构建出一种检测性能优秀的光纤spr传感器。

3. 研究的方法与方案

本文采用的主要研究方法为时域有限差分法，通过利用fdtd solution软件对表面等离子激元共振效应进行仿真研究。在求解光纤spr传播模式的实际计算中，maxwell时域场旋度方程中的微分式很难求得其数值解，时域有限差分法利用有限差分式对其进行替代，能够实现对金属-介质波导的spr现象模拟和分析。时域有限差分法 (fdtd)最早是由k.s.yee于1966年提出。是对偏微分波动方程的离散化求解，利用时间和空间将偏微分方程转化为差分方程，从而求解电磁波传播过程中的各个离散点的参量与时间的函数关系。并且通过傅里叶级数的转化，可以同时计算出大的频率范围内的结果。核心思想是把带时间变量的maxwell旋度方程转化为差分形式，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应。fdtd有着广泛的应用性、节约运算和存储空间、计算程序的通用性、简单直观等诸多优点。

步骤：

4. 研究创新点

[1] pattnaik p.surface plasmon resonance [j].applied biochemistry and biotechnolgy，2005,126(2):79-92.

[2] homola j.present and future of surface plasmon resonance biosensors [j].biosystems，2003,377(3):528-539.

[3]liedberg b,nylander c,lundstrom i.biosensing with surface plasmon resonance-how itall started [j].biosensors biolectronics,1995,10(8):e4794.

5. 研究计划与进展

2021.2下达任务书

2021.2查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告

2021.4熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果