机械工程论文基于纳米银膜的SPR.docx

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机械工程论文基于纳米银膜的SPR

机械工程论文：

基于纳米银膜的SPR

基于纳米银膜的SPR-PCF传感特性研究

摘要

科技的快速发展，人们在多个领域对传感器的灵敏程度要求越来越高，这使得传感特性研究成为世界研究的焦点。

科学家们急于寻找更好的传感材料，于是光纤被制作出来。

科学家们用光纤制作出系统稳定性好、灵敏度高的光纤传感器。

但是随着社会的发展，传统光纤传感器的缺点被充分暴露出来。

本文首先对表面等离子技术的相关文献进行梳理和总结，为下文研究打下基础，然后对SPR技术进行参数说明，然后介绍SPR技术在PCF传感器中的应用，最后设计一个可行的度银膜的SPR-PCF传感器。

关键词：

传感器；光纤；SPR；PCF

第一章绪论

1.1研究背景

随着科技的发展，人们在多个领域对传感器的灵敏程度要求越来越高，这使得传感特性研究成为世界研究的焦点。

科学家们急于寻找更好的传感材料，于是光纤被制作出来。

科学家们用光纤制作出系统稳定性好、灵敏度高的光纤传感器。

但是随着社会的发展，传统光纤传感器的缺点被充分暴露出来。

例如传统光纤传感器发生耦合时产生温度交叉不稳、损耗过大、保偏特性差、系统稳定性差等缺点。

因此科学家们迫切寻找可以代替光纤的传感材料，经过长时间的研究和探索发现，人们发现了光子晶体光纤，也就是PCF。

科学家们的研究发现PCF相较于传统光纤，它能消除传统光纤发生耦合时的缺点。

不过，PCF的结构参数还比较匮乏，多数以理论为主。

现在PCF传感器的研究以及仿真分析仍是科研领域值得关注的焦点。

1.2国内外研究现状和发展趋势

1.2.1表面等离子共振技术研究现状

Wood（1902）发现表面等离子共振现象，Fano（1941）解释这一现象是由于空气和表面等离子发生能量转换引起的。

Ritchie（1957）在实验中研究发现介质与金属界面电磁波吸收产生影响。

根据法国物理学家菲涅尔所提出的光学定理可知，当光密介质射入光疏介质，并且入射角增大到某一角度，即入射角大于或等于临界角时，折射率达到-90度，折射光完全消失而只剩下反射光，此时就会发生的光的全内反射。

当满足全内反射条件时，研究发现入射光传播到介质界面先透过光疏介质约一个波长深度后沿着介质界面漂移约半个波长再返回到光密介质，而不是直接在介质界面产生反射光。

表面等离子体在热平衡时呈现电中性，当表面等离子体内部受到外界扰动（如交流电场、磁场和光照射）时，则表面等离子体内部的一些区域电荷密度不为零，此时正负电荷中心产生分离而形成电偶极子，进而产生了表面等离子极化现象。

这种极化可以沿着金属表面向前传播形成表面等离子体极化波。

1.2.2表面等离子共振光子晶体光纤传感器的研究现状和发展趋势

陈鑫（2009）设计了一种新型的基于表面等离子共振技术的D型光子晶体光纤折射率传感器，这种新型传感器利用开环通道上的金属膜激发来增强谐振效应，从而提高折射率传感器的灵敏度。

另外该传感器减少镀膜金属，使制造工艺更加简单，制造成本更低。

李学金（2010）等人通过在光子晶体光纤的空气孔中填充热敏系数大的材料，研究PCF的温度传感特性，发现在光子晶体光纤结构不变的情况下，短波长范围内能发生较好的温度传感特性。

关春颖（2011）等人设计了空气孔很少的SPR-PCF传感器，改变多种参数，观察传感器灵敏度的变化，发现空气孔大小等参数几乎不影响传感器的灵敏度。

范振凯（2015）等人通过在开环通到上度金膜和度银膜设计了两种SPR-PCF传感器，其灵敏度分别达到7040和7017nm/RIU。

王光耀（2016）等人设计了一种D形的检测待测物折射率变化的SPR-PCF传感器，其灵敏度达到12450nm/RIU。

A.A.Rfat（2016）等人将光纤结构的外部度上金膜制造了新型的SPR-PCF生物传感器，该传感器通过未知分析物流过金属表面或者滴落在金属层的外表面的方式检测未知分析物。

鲁明（2017）等人提出了一种多层涂覆的SPR毛细管传感器，其可用于宽RI测量特性的工业或生化环境。

1.3研究内容

本文首先对表面等离子技术的相关文献进行梳理和总结，为下文研究打下基础，然后对SPR技术进行参数说明，然后介绍SPR技术在PCF传感器中的应用，最后设计一个可行的度银膜的SPR-PCF传感器。

1.4目的与意义

本文介绍光子晶体光纤和表面等离子体共振技术并讲述表面等离子体共振光子晶体光纤传感器的研究现状，最后利用纳米银膜的SPR效应设计一种光子晶体光纤传感器，并利用数字算法仿真光纤的传输特性。

第二章SPR技术在PCF传感器中的应用

对光纤传感器的研究已经有很长一段时间了，从研究的角度看很多光纤传感技术已经趋于成熟，一些已经商业化了。

然而随着最近在表面等离子共振（SPR）和光子晶体光纤（PCF）技术上取得的巨大进展，微米结构和纳米结构的光纤传感器的研究引起了研究者巨大的兴趣。

本章首先介绍SPR的原理和光纤SPR传感器的结构，影响其灵敏度的因素等；然后介绍不同类型的PCF传感器以及简单应用。

2.1表面等离子共振光纤传感器

表面等离子共振现象应用在传感器系统中已经很长时间了。

光纤SPR传感器的发展始于上世纪90年代初。

尽管1990年就有文章提出用光纤作为SPR传感器的耦合器件，真正意义上用光纤作为传感器头部的光纤SPR传感器出现在1993年。

随后，光纤SPR传感器就得到了人们持续的关注和研究。

光纤SPR传感器可以探测外部折射率的变化，并且通过调整金属层和覆盖层的厚度等参数可以优化传感器的性能。

2.1.1光纤表面等离子传感器的原理

在金属和电介质或者空气的界面处，由于电子浓度的梯度分布，存在着自由电子的浓度振荡，当其与电磁波耦合时就会产生表面等离子振荡（SPPs）。

表面等离子体波（SPWs）沿着金属和电介质的界面向前传播。

由于表面正常电场成分的存在，只有TM模可以激发SPR。

SPPs的一个重要的特征就是在金属和电介质层的交界处，电场的振幅为最大值，在两边的材料内按照指数衰减。

造成这个独特的特性的原因是对光来说，金、银、铜、铝等金属的介电常数是负的（金属的介电常数是复数，其实部是负数），而电介质的介电常数是正的。

在众多金属中，银有最尖锐的SPR共振峰，而金则有卓越的表面稳定性，这两种金属最常被应用。

激发SPR的方法有很多种，例如棱镜耦合，波导耦合，光纤耦合以及光栅耦合等。

最常用的方法是棱镜耦合的衰减全发射，就是所谓的Kretschmann方法。

图2.1所示为Kretschmann结构：

高折射率棱镜的折射率为np，底部覆盖一层介电常数为，厚度为d的金属薄膜，金属膜外面是折射率为（<）的电介质,。

在棱镜中传播的光线入射到金属薄膜时，如果入射角大于由和的关系决定的临界角时，光线基本上全部反射回棱镜。

倏逝波则穿透进入金属薄膜（因为薄膜很薄，一般小于100纳米），因此在金属和电介质的界面处依然有电场存在。

在满足相位匹配条件的时候，这就可能在界面处激发出表面等离子共振波，SPW随后沿着分界面向前传播。

SPWs的传播常数与电介质的关系式可以表示为

（2.1）

其中，和分别是电介质和金属的介电常数，是真空中的波长，在棱镜和金属界面处的倏逝波的传播常数，是图2中所示的光线的入射角。

如果和相等，SPWs就会被激发。

我们注意到在金属和棱镜界面处（M/P）没有SPW。

SPWs只会在<的情况下出现在金属和电介质的界面处（M/D）。

穿透金属的倏逝波在M/D界面处引发发生表面等离子振荡，使得光被辐射回金属。

这些光线与反射光发生相消干涉，使得总的反射光减少。

在理想状况下，总反射变为0，所有的透射光转化为M/D表面处的SPWs。

在一般的绝缘体-金属-绝缘体结构中，对称的和不对称的SPP模式都是可能存在的，然而在Kretschmann激发模式中，这些模式不可能存在。

SPW也可以被金属表面的光栅激发出来，如图2.2所示。

如果光栅衍射光的波矢与光栅表面平行，并且和SPPs的传播常数相等的话，光就会被耦合进SPW，如下面方程所示：

（2.2）其中m是代表衍射级数的整数，是光栅周期。

由于在光栅耦合中，入射光直接照在金属表面，因此样品层或者样品液必须是光学透明以便光线通过。

这种方法也可以反过来用，即利用光栅把SPWs转化成光。

光纤SPR传感器和Kretschmann棱镜结构大体一致，只不过棱镜被一个光纤的纤芯所替代，如图2.3所示。

图2.3显示了光纤SPR传感器的基本结构，光纤的包层被去掉，纤芯对称的被金属层覆盖。

光纤可以轻松灵活的激发出SPW。

从上面的方程我们可以得到：

（2.3）是光纤纤芯的折射率，是样品媒质的介电常数。

由于SPWs存在于金属和样品媒质的界面处，因此对界面处条件的任何变化如金属表面吸收分子非常敏感。

上面覆盖层折射率的变化将导致SPW传播常数的改变，这个可以通过与SPW干涉的光波的特性的改变观察到。

在方程4中，的变化导致SPR角度或者波长的变化。

当角度和波长固定的时候，的变化由于破坏了相位匹配条件，将导致反射光强的变化。

总体来说，检测共振波长或者共振角的光纤SPR传感器是应用最广泛的。

上面已经指出，SPWs的光场在界面处最大，在两侧的金属和电介质中迅速衰减。

在电介质中的穿透深度（定义为场强衰减到最大值的exp（-1）时的深度）可以表示为：

（2.4）表2.1显示出不同的金属，电介质，波长时的介电常数和穿透深度

633nm1550nm

金0.197+i3.09金0.559+i9.81

银0.135+i3.99银0.469+i9.32-

2.1.2光纤SPR传感器的优缺点和灵敏度

与传统的传感器相比，SPR传感器有很多优点。

首先，SPR传感器灵敏高，响应速度快几倍，感应区域小（SPW典型的传输距离在微米量级）。

另外，SPR传感器，特别是金属纳米颗粒传感器，同时存在LSPR效应和表面增强的拉曼散射（SERS）。

通过SERS，对粘合的东西的探测以及被分析物的定性，即使是在生物研究中的单个分子的水平也是可能的。

尽管基于棱镜的SPR传感器是最方便的SPR装置，但它体积大并且包括很多光学和机械部分，使得系统优化和商业化以及大规模的远程传感很难实现。

通过使用光纤可以使得SPR传感器系统小型化。

使用光纤的一个重要的原因就是它的直径很小，使得可以用在很小容积的情况下。

其他的优势包括光学设计的简单化以及远程感应的能力。

然而，光纤SPR传感器也有一些缺点。

与棱镜装置不同，其入射角不能被控制，使得透射光谱中的感应曲线展宽，导致灵敏度和可探测极限下降。

用单模光纤（SMF）代替多模光纤（MMF）可以提高传感器的性能。

另一个缺点是很难对光纤SPR传感器进行理论分析。

一般采用平面结构近似或者理想的对称圆柱假想设进行理论分析。

虽然通过进行精确的三维分析和平行计算可以做出一个完整的三维数值分析，但是这相当消耗时间的。

基于棱镜的SPR装置中，一般使用单色的光源，调制入射角是；光纤SPR传感器与之不同，它可以使用白光作为光源。

这样就有一个很宽的光谱范围来探测共振波长。

光纤中的入射角被纤芯-包层的全反射角所限制。

尽管可以用单色光并且探测它在光纤中的传输强度的变化，但如果用宽带的白光，就可以在透射光谱强度分布中监测共振波长的变化。

如图5所示，透射光功率谱中可以观察到在共振波长处有一个很尖锐的凹陷。

当探测区域的折射率变化时，共振波长会产生漂移。

如果折射率变化量是，共振波长变化量是，则SPR传感器的灵敏度S就可以定义为了计算灵敏度，可以画成是的函数，那么斜率就是传感器的灵敏度。

SPR共振波长探测的准确性依赖于透射光谱中响应曲线的宽度。

这表明宽度越窄，准确度越高。

2.1.3影响光纤SPR传感器性能的因素

下面，我们研究影响SPR光纤传感器性能的参数。

首先，如图6和表2所示，现在多种多样的SPR光纤传感器结构，例如对称的结构有简单的被金属覆盖的有包层光纤和无包层光纤，细光纤；不对称的结构有单面抛光光纤（D型光纤），单边镀膜的有包层光纤和无包层光纤。

它们都可能包含覆盖层或者多层结构。

覆盖层是附着在金属层上面的一层，可以有效的改变光纤SPR传感器的测量范围。

许多SPR光纤传感器采用的更进一步改进的结构，例如利用各种类型的光栅，异芯光纤，纳米微孔等。

图2.5：

各种SPR光纤传感器的结构图：

（a）D型光纤（b）无包层光纤（c）尾端反射镜（d）尖尾端（e）细化光纤

由于多模光纤SPR传感器对机械扰动很敏感，所以输出的光强会随时间抖动。

但是由于到达探测器的光能量很充足，一般探测相对比较简单，并且信噪比很好。

另外，这种设备很适合测量大的折射率幅度。

与MMF相比，SMF的透射曲线中共振波长处的凹陷更窄，因此，灵敏度更好。

尾端加工过的光纤SPR传感器通常用作基于反射的局部SPR光纤探测器，其他类型的SPR传感器则是传输型的。

要发展SPR光纤传感器，我们首先要把倏逝波引导到光纤纤芯和包层的分界面处。

为了达到这个目的，可以把光纤的包层通过化学腐蚀，精确的火焰控制加热、打磨等方法部分或者全部的去掉。

另一个运用倏逝波的方法是细化光纤，当光纤被火焰加热的时候拉伸以细化。

在把光纤纤芯区域暴漏出来以后，需要把金属膜覆盖在裸露的纤芯上面。

SPR传感系统中用到的金属通常是金或者银。

当传感层的折射率发生变化的时候，金的共振参量变化大，并且化学性能稳定；在透射波谱上银的共振凹陷窄，因此SPR传感的灵敏度很高，但是在空气中不稳定，特别是在水中更加不稳定。

因此如果要把银用在实际传感器中，必须在它的表面镀一层薄而密的覆盖层。

为了设计和分析传感器，我们需要知道金属薄膜的介电常数的散射。

在大多数SPR传感器中，波长范围为400纳米到800纳米，或者是在1500纳米附近。

可以从参考文献中查到金属的介电常数。

Drude模型可以用来分析金属的散射，表示为：

（2.6）

其中是高频介电常数方程，是等离子体的频率，是衰减频率。

对金属纳米颗粒层，因为存在附加的表面散射需要依据所用的微粒的尺寸进行修正，：

（2.7）

其中，R是微粒的尺寸，是费米速度。

一般所说的SPR传感器，当外界折射率变化一个单位（RIU）的时候，共振波长偏移nm。

灵敏度和共振波长可以通过改变薄膜的材料，金属薄膜的厚度和覆盖层的厚度来进行一定范围的调整。

金属层的厚度对SPR光纤传感器来说是一个至关重要的参量。

要获得灵敏度高的SPR传感器，必须使得透射波谱的共振凹陷深并且尖锐。

因此要提高传感器的性能，必须优化金属层的厚度。

例如，在有金属膜的D型SPR光纤传感器中，如果增加金属膜的厚度，共振波长将会向长波漂移，凹陷处会变得更加窄。

然而共振波长处的传输功率凹陷将会变浅。

这表明金属薄膜应该薄一点，因为倏逝波在金属层中成指数衰减，当厚度增加时，SPR会变弱。

通过减少感应区的长度也可以在透射光谱中得到深的共振凹陷。

长的感应区增加了金属对传输光的吸收，导致深的共振凹陷和灵敏度的降低。

因此，在制作光纤SPR传感器的时候应该使得感应区尽可能的短来获得高的灵敏度和解析度。

值得注意的是，如果剩余的包层厚度超过几微米的话，倏逝波和SPW耦合就会变得困难，共振凹陷就会变浅。

SPR传感器中所用的覆盖层也会影响共振波长。

覆盖层是用来保护银的表面的。

另一方面，覆盖层也可以用来调整共振波长。

有人已经提出了光纤表面金银双层的结构[51]。

与金膜相似，这种结构共振参量偏移量很高；另一方面又表现与银相似的很窄的共振凹陷，因此在保护银氧化的同时表现出高的解析度。

覆盖层也会影响对折射率的探测范围。

没有覆盖层的话，如果被测区的折射率高于纤芯的，导波就会泄露出光纤。

这就限制了对折射率的测量范围。

因此，在纤芯上覆盖一层高折射率的物质可以使探测范围就提高到一个新的水平。

使用高折射率材料作为纤芯的光纤也可以达到同样的效果。

2.1.4新型SPR光纤传感器结构

光纤SPR传感器最重要的参数是灵敏度。

设计各种结构首先要使得纤芯的光和包层的光发生耦合并且满足相位匹配条件，即首先要产生表面等离子体共振。

科学家提出使用光栅来实现。

He等提出使用级联的长周期光栅结构[65]，理论计算表明可以满足相位条件。

Tang等在光纤SPR传感器中使用长周期光栅来测量化学溶液的浓度以及在纳米颗粒表面无标记的探测生物细胞的融合。

它的灵敏度可以达到-23.45nm/RIU,远远高于普通的LPG折射率传感器。

NemovaandKashyap提出使用光纤布拉格光栅（FBG）。

由于FBG不能把纤芯模耦合到包层模，因此采用FBG时要对光纤结构进行特殊设计。

其他类型的光栅，例如倾斜光栅，金属光栅也已经被采用。

这两种光栅的透射谱中有多个峰值，很难设定参考波长，但是它们的共振凹陷很尖锐，信噪比高。

与传统的SPR传感器相比，光栅SPR光纤传感器的灵敏度稍微低一点，为102~103nm/RIU.

图8（b）所示为为了提高SPR效应设计的级联单边抛光光纤。

在第一个SPR感应区域内导波光的TM模式迅速耗尽，在两个感应区之间TE模式的一半耦合进TM模式，在第二个感应区内TM模式变多并再次被耗尽。

这种设计使得透射谱中的共振凹陷更理想。

通过使用2个LED可以提高传感器的性能。

测量两个波长处的折射率的差可以使灵敏度翻一番，达到5.2*10-4RIU.

许多科学家提出了基于PCF的SPR传感器，它的原理是顺着金属化的微结构把纤芯泄露模耦合进SPP模式。

2008年，Hautakropi等提出并理论分析了基于三孔微结构光纤的SPR传感器，微结构的孔都附着了金薄膜。

数值分析结果显示这种结构光损耗很小，并且解析度可以达到RIU。

在这之前，Hassani等提出了使用微溶液微结构的光纤SPR传感器，灵敏度为RIU，结构导致透射光的强度变化1%。

除此之外还有多种多样的基于PCF的SPR传感器。

2.2微米纳米微结构光纤传感器

微结构的光纤包括PCF和其他在光纤尾部或者侧面有纳米结构的光纤等。

根据电介质在横截面分布的不同，PCF可以分为：

光子带隙光纤，多孔光纤，孔辅助光纤，和布拉格光纤等。

通过部分的去除光纤的包层得到的D型光纤可以增强导波光与外部物质的相互作用。

很多科学家都致力于研究D型光纤的制造和应用。

Gaston等运用单边抛光单模光纤做出了温度、相对湿度、pH传感器。

传感器对温度的灵敏度为8dB/C，湿度灵敏度为0.5dB，当pH从2变化到11时，输出功率变化15dB。

Chandani和Jaeger的温度传感器使用稀释的氢氟酸腐蚀得到的D型光纤。

在保持纤芯边缘和平面的距离恒定的前提下，这种方法得到的D型光纤干涉距离要长很多。

Franco等把单边抛光的做法应用到微结构光纤中[86]。

通过减小切割平面附近的孔的直径（如图2.6）可以提高倏逝波和外部介质的耦合效率，从而提高对外母折射率变化的灵敏度。

在最佳的参数设计下，温度探测范围为185C，灵敏度为0.1~0.38dB/C。

图2.6单边抛光的微结构光纤：

靠近切面处的孔直径小

多孔PCF传感器的纤芯是中空的，包层中有很多孔。

这些孔都充满了气体或者液体的被测物。

光波和被测物的相互作用使得传输特性发生变化。

与D型微结构光纤相比，由于多孔PCF的干涉距离长，对模式的限制作用强，所以所用的样品很少。

缺点是填灌被测物有点困难，准备时间长。

对细化结构或者啁啾PCF光纤传感器的研究也很多。

人们提出了一种微细化的PCF气体传感器（图2.7）[97]，这种微细化的光线只支持两个相对高阶模。

把有三个气孔的PCF细化套3~5微米的时候，光纤中只存在两个高阶模（和）。

这两个模式的传播常数相差很大，因此干涉周期很短。

在细化区域外的空气分子会导致折射率的变化，使得干涉类型也发生变化。

这种方法的一个优点是不需要在气孔中填充被测物。

图2.7气体探测用的微细化结构的PCF

Pisco等提出了啁啾FBG的结构，其中包括一个啁啾布拉格光栅和一个或者多个缺陷[98]。

通过改变覆盖层薄化区域周围的折射率，可以改变纤芯的传播特性，从而导致折射率谱的变化。

在周围折射率为1.45和1.33时，灵敏度分别为和。

虽然和其他方法相比，折射率有点低，但这种方法成本低，并且在化学探测中可以使用多点折射计。

科学家在试验中提出了基于有缺陷孔的纯硅PCF光纤的倏逝场吸收传感器（由于空气孔和气体液体渗透之间的作用区域很大，倏逝场被显著地增强，因此这种装置的灵敏度要高很多。

作为吸收体，不同浓度的（0.01~0.50Mol）被添加入光纤。

透射谱显示随着浓度的增加吸收增强。

并且纵向探测的灵敏度要比垂直的高将近60倍。

众所周知，气体对光的吸收峰一般在中红外范围（大约3微米）。

在这个波长范围大多数光纤都不支持导波模。

因此要与近红外光干涉，需要更高的吸收模式，更长的干涉距离以及高灵敏的探测技术。

Gayraud等提出了新型的PBF设计，在3200纳米处探测甲烷。

通过使用飞秒光参量振荡器作为光源和傅里叶变化红外光谱计，可以探测出1000ppm的甲烷。

他们预测，通过使用新型光源可以把灵敏度提高到50ppm。

在PCF内雕刻长周期光栅（LPG）可以释宪案纤芯模和包层模的模式耦合，提高灵敏度。

Zhu等通过数值模拟方法测试了单模LPG-PCF的折射率灵敏度。

结果显示，由于倏逝场能够有效的覆盖被测物，灵敏度可以达到RIU。

同时，飞秒激光处理领域的新技术被用来制造微流体设备。

在阶跃光纤中写入的微流体通道可以改变纤芯导波光的散射特性。

利用这一特性，Petrovic等提出了一种微缝折射率传感器。

利用的原理是当阶跃光纤的微缝的折射率变化时光纤中的传输特性会发生改变。

通过在尺寸和形状上的优化处理这种传感器可以用在很多特殊的场合。

第三章八芯PCF-SPR传感器的设计优化与特性研

章从单根光纤的纤芯数量入手，设计了一种工作在近红外波段的八芯PCF-SPR传感器。

通过损耗谱分析对所设计的八芯PCF-SPR传感器金属膜厚度、空气孔半径以及空气孔位置等参数进行了优化，并分析了传感器的灵敏度和品质因子等特性。

该传感器增大了芯导模的有效模场面积，有利于提高其共振强度。

3.1八芯PCF-SPR传感器的模型设计

如图所示，最内侧的深黄色背景材料为纯净的二氧化硅，其折射率大于外侧的待测溶液折射率。

在二氧化硅部分引入规律排列的空气孔（折射率nair=1），目的是降低局部区域的平均折射率。

光纤横截面上包括一个中心空气孔，两层按照八边形排列的空气孔以及一层按十六边形排列的边缘空气孔，所有空气孔的半径相同。

在设计PCF-SPR传感器的时候，金属膜大多使用金和银两种等离子体活性材料。

相比于其他等离子体材料，金表现出更明显的共振波长移动，但是金的共振强度小且半峰宽度较大，这会降低传感器的检测精度。

因此，在本设计中，选取了银作为等离子体敏感材料，以便于获得更加尖锐的共振峰，提高传感器的检测精度。

银的介电常数由补偿后的L4模型确定。

银膜的外侧为待测溶液通道，待测溶液折射率的检测范围是1.395到1.425。

在仿真过程中，人为地在最外层添加完美匹配层来吸收辐射的能量。

该模型中，银膜厚度为tAg=45nm，空气孔半径为=0.6μm，第二层空气孔到光纤中心的距离为Λ=8μm。

3.2八芯PCF-SPR传感器的模式分析

（3.1）可知，该曲线可以代表传感器的限制性损耗曲线。

红色和蓝色曲线分别表示芯导模和表面等离子模有效模式折射率的实部。

从图中可以看出，在波长1075nm处，芯导模和表面等离子体的有效模式折射率的实部曲线存在一个交点Q，在相同波长处，芯导模的有效模式折射率虚部曲线存在一个明显的损耗峰。

交点Q和损耗峰的一致性证明了模式相位匹配现象的存在，即发生了表面等离子体共振。

芯导模的损耗谱是一条光滑的曲线，没有干扰次峰出现。

图3.2（b）所示为交点Q处对应的芯导模的模场分布图，图中黑色的箭头代表电场方向。

从图中可以看出，此时芯导模的有效模式折射率为neff=1.4468+6.3031×105。

内层空气和外层空气

孔中间的区域被八个