多模-单模-多模光纤结构中的光场理论及仿真开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

多模-单模-多模光纤结构是两段多模光纤中间熔接一小段单模光纤的组合式光纤结构，常被用来作为光纤表面等离子体共振（spr）传感器的敏感单元。与传统的传感器相比，光纤传感器结构简单、操作简便、灵敏度高、抗干扰，同时，光纤传感器以较高的技术含量、较好的经济效益、较强的渗透能力、广阔的市场前景等优点被人寄予厚望，在食品安全的精确检测、大气污染和水污染的实时监控以及医疗卫生质量的快速有效检测等方面有着重大的研究价值。

1994年,a.s.jazi等人利用圆柱形传感结构制作了一种检测水中氯浓度的传感器，圆柱形传感结构是将光纤包层去掉一小段,让纤芯直接与待测物质接触作为传感区,结构简单、制作容易，但是它激发的消逝场能量较少、检测精度小、灵敏度低。要想提高灵敏度，可以增加传感器长度来实现，但却容易断裂，在此基础上一种新结构的d形传感光纤被提出来了，虽然提高了倏逝场强度，但与被测物的有效作用区只在一个侧面，灵敏度较低。为了提高灵敏度，j.o.spiker等人利用常规多模光纤制作了锥形传感结构的光纤传感器, 在其锥形传感区域涂敷了一层很薄的钯,这种光纤消逝场传感器成本低、结构简单并且反应灵敏,但其制作较难，部分包层未完全去除，影响灵敏度。而多模-单模-多模（msm）光纤结构的传感器与传统的光纤传感器相比，由于其利用msm光纤结构中泄露到单模包层中的光场激发倏逝场，避免了传统光纤传感器去除包层对灵敏度的影响，降低了制作难度，提高了制作成功率。

基于多模-单模-多模光纤结构的spr传感器作为一种新型的spr传感器于2004年由mitsuhiro iga等人首先提出，这种结构传感器避免了去包层的繁琐操作，对msm光纤进行了充分的利用。基于镀膜厚度对传感器敏感度的影响特性，为了研究不同薄膜厚度对光纤表面等离子体共振效应的影响，2012年，keiju takagi 和 kazuhirowatanabe对多模-单模-多模光纤传感区表面进行了改造，在光纤传感区表面镀au-ta₂o₅双层膜。随后，为了分析不同厚度ta₂o₅和pd薄膜对传感器的影响，aihosoki 等人研究了msm结构的au/ ta₂o₅/pd三层膜结构光纤spr氢气传感器。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：多模-单模-多模光纤结构的传感器尽管制作简单，但其性能仍有待提高。为了提高多模-单模-多模光纤结构传感器的光场传输效率，必须对多模-单模-多模光纤结构中的光场特性进行研究。本次设计主要讨论多模-单模-多模光纤结构中的光场理论基础，并利用matlab仿真软件对光纤结构中的光场进行建模和仿真，详细并合理地给出光场分布的图形结果并分析。

目标：了解并掌握多模-单模-多模光纤结构中的光场理论；学会熟练使用matlab仿真软件并利用matlab 对多模-单模-多模光纤结构中的光场理论进行建模分析和仿真。

拟采用的技术方案及措施：本次设计采用matlab对光场理论进行仿真。对于多模-单模-多模光纤结构中的光场的分布，可以根据相关理论公式求得，通过在matlab中对各关键参量的定义和求解，再根据光场的理论公式，在matlab中建立起数学模型，并通过绘图函数将光场的分布特性显示出来。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，查阅多模-单模-多模光纤结构的相关知识以及matlab或comsol的使用方法。确定方案，完成开题报告。

第4－8周：明确多模-单模-多模光纤结构中的光场理论，完成总体理论建模。

第9－13周：完成多模-单模-多模光纤结构中的光场理论仿真和结果分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 孙素梅，陈洪耀，尹国盛.光纤传感器的基本原理及在医学上的应用[j].中国医学物理学杂志，2008，25(5)：846-850.

[2] philip h paul,george kychakoff.fiber-optic evanescent field absorption sensor[j].applied physicsletters,1987,51(1):12-14.