基于光纤端面的表面等离子体传感器的仿真与设计开题报告

全文总字数：3829字

1. 研究目的与意义（文献综述）

传感器是一类能将被测量按照一定规律转换为可用信号的换能器件，目前应用比较广泛的为光学传感器和电学传感器，分别将被测量转换为便于传输和储存的光/电学信号。光纤作为主要的光通信介质，本身具有体积小、重量轻、易弯曲、抗电磁干扰等优点，并且容易接受被测量/场的加载，适用于极端恶劣环境，因此光纤传感技术一直受到极大的重视。

表面等离子体共振是一种有前途且功能强大的光学检测技术，具有无标记感应，快速响应和高灵敏度等特点。1993年，jorgenson等人用光纤取代棱镜、电极等表面等离子体传感器的传统基板，将高灵敏度的表面等离子体与光纤相结合，提出了基于光纤的表面等离子体传感器，使得光纤表面等离子体传感技术得以实际应用。

lab-on-fiber技术是将纳米级和微米级高度功能化的材料集成到单根光纤中，以开发新一代的小型化和先进的全光纤传感技术平台，从而实现基于光纤的多功能感测/驱动微系统，被视为光子技术革命的基石，具有小型化、轻量级、抗干扰、低成本、良好的生物相容性等优势，目前在化学、生物医学、环境安全等领域得到广泛应用。近十年来，制造工艺取得很大进步，已经能够很好地控制集成在光纤平台上的材料的纳米级工艺参数，lab-on-fiber技术得到了长足发展，这也为基于光纤端面的表面等离子体传感器的实现提供了极大的助力。

2. 研究的基本内容与方案

设计的基本内容：本项工作从仿真出发，设计并分析光纤端面不同表面等离子体结构，采用comsol多物理场仿真软件对不同结构进行数值研究。具体而言，通过仿真分析在光纤端面上支持等离子体激元模的金属-介电层混合纳米结构的不同结构，比较不同结构在共振波长处的频谱特征、反射谱、电场以及腔长灵敏度，分析各几何参数（例如光栅周期，占空比，介电常数和金属厚度）对谐振波长、反射谱、电场以及腔长灵敏度的影响，从而改变几何参数调整结构，探索不同结构对传感的可能性。

设计目标：（1）查阅文献，了解表面等离子体基本原理及其激发方式；（2）学习comsol仿真软件rf模块，依据查阅的资料仿真不同的基于光纤端面的表面等离子结构；（3）根据仿真结果，研究不同结构的反射谱和电场，分析不同结构的腔长灵敏度，探索不同结构参数对于传感的影响，优化结构。

设计拟采用的技术方案及措施：根据已经查阅的资料，使用comsol仿真软件rf模块仿真出不同的基于光纤端面的表面等离子结构，依次改变结构的各个参数进行对照仿真实验，根据仿真结果分析各结构参数对于传感的影响，优化结构，得出结论。

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、目的及意义，确定方案，完成外文文献翻译及开题报告；

第4－8周：查阅相关文献资料及技术手册了解表面等离子体基本理论及其激发方式，学习使用fdtd、comsol等仿真软件；

第9－12周：使用fdtd、comsol等仿真软件，建立表面等离子体结构传感模型，计算其反射谱及其他相关参数，对结果进行分析；

4. 参考文献（不低于12篇）

[1] 关春颖. 表面芯光纤器件实验室[j]. 应用科学学报, 2018, 36(04):5-17.

[2] 江秀明. 光纤表面等离子体共振传感器研究进展[j]. 传感技术学报, 2003(1):74-91.

[3]韦清臣. 表面等离激元光纤端面折射率传感器研究[d].桂林：桂林电子科技大学，2019.