自组装等离激元金属阵列光纤传感器制备与传感特性研究

作     者：曹瑷琛 

作者单位：南京信息工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：倪海彬

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光纤传感器 表面等离激元 金属纳米结构 自组装聚苯乙烯微球薄膜 

摘      要：在过去的几十年里,生物传感器因其广泛的工业和科学应用而引起了人们的密切关注。光学传感器是一种通过研究结构的光学特性来解决这些应用的有效分析工具。随着技术的进步以及资源需求的增多,高科技设备逐渐趋于小型化发展。光与金属纳米结构的相互作用显示出独特的性质,产生了一个称为表面等离激元的新兴领域。将金属纳米结构与光纤进行融合,可形成一种具有高灵敏度、抗电磁干扰等优点的光纤生物传感器。这类光纤传感器可通过监测共振波长的变化来获取分析信息。本论文提出了三种不同光纤端面金属纳米周期性阵列结构,探索研究了对应的表面等离子体共振模式、参数优化、制备工艺以及传感特性等。具体研究工作包括:提出了一种利用金纳米圆盘作为传感结构的光纤传感器。首先借助时域有限差分法了解各个表面等离子体共振模式并对结构的参数进行优化。接着给出了实验的制备流程及测试结果。在传感结构周围环境介质从空气变化至丙三醇的过程中,共振波长实现了偏移,得到实验中最高折射率灵敏度为326 nm/RIU。提出了两种利用周期性银纳米阵列作为传感结构的光纤传感器。给出了实验猜想并通过仿真软件探究了表面等离子体共振模式,进而对结构的参数进行优化。优化后的结构通过模拟不同背景折射率（1.331至1.47）,得到第一种银纳米环结构的灵敏度为539.6nm/RIU,第二种银纳米孔结构的灵敏度为317 nm/RIU。前者较于后者得到仿真中的灵敏度更高,但后者具有更高的品质因数,说明稳定性更好。