1. 研究目的与意义
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR）技术是通过光学方法监测金属薄层材料周围环境介质的折射率变化而实现的，经过近几十年的发展，逐渐成为化学和生物传感中的一种较灵敏的表面分析方法。拥有负实部和正虚部介电常数的金属材料可以激发表面等离子体共振效应，其本质是电磁辐射激发表面传导电子的相干振荡。表面等离子体共振现象的起源有将近一个世纪的历史，在1907年，Zenneck通过求解麦克斯韦方程得出了一个特殊表面波解，并且从理论上证实了，当一种介质是“有损”电介质或金属，另一种是无损介质时，在两种介质的边界处就会产生射频表面EM波;Zenneck还提出，是介电常数的“有损”(虚部）部分将 EM 波绑定到界面。在1909年，Sommerfeld发现Zenneck 假定的表面波振幅变化与源偶极子水平距离的平方根成反比，并且随着距界面高度的增加而呈指数衰减。直到1957年，Ritchie在实验中观测到了高能电子穿过金属薄片时出现了能量的吸收峰，提出了金属等离子体概念;两年后，Powell和 Swan通过实验证实了Ritchie提出的理论，并正式提出了表面等离体共振的概念;1968年，Otto和 Kretschmann分别运用衰减全反射 (Attenuated Total Reflection，简称ATR)的方法实现了光频波段表面等离子体的激发;1982年，Nylander 和 Liedberg首次实现了基于SPR的气体探测。等离子体也用于一些特殊光物质相互作用的研究中，包括表面增强光谱学、生物和化学传感以及纳米平版制造。目前的SPR生物化学传感器已成功用于分子间相互作用的监测，而衡量光学生物传感器技术的最佳指标就是出现越来越多的商用仪器，虽然已经有一些基于SPR的传感系统，但迄今为止使用最广泛的一种还是 BIAcore AB生产的BIAcoreR，比如用于监测热力学和生物结合动力学过程，典型的生物化学系统的检查，实时分析生物、化学分子间的相互作用包括抗体-抗原、蛋白质-核酸的相互作用，生物分子相互作用分析不只限于蛋白质，DNA-DNA，DNA-蛋白质，脂质-蛋白质以及复杂的生物分子之间的相互作用也可以被研究，除此之外，还可用于重金属离子以及其他化学成分定性和定量的检测。因此，基于SPR的传感器在生命科学、医疗检测、环境监测等领域具有广泛的应用价值。新型微结构光纤 (m icrostructured-op tical-fi-ber，MOF)已应用于产生超连续谱和光纤激光器．其独特结构为传感器设计提供了新思路，MOF预制棒制作灵活，可改变包层空气孔阵列控制传导光. 2006年，HassaniA指出，在 SPR传感方面MOF主要有两个优点:①可在靠近纤芯的气孔内壁镀金属膜(如金膜和银膜)，而不必像常规光纤那样腐蚀掉包层或拉很细的锥，从而使传感器设计不存在封装问题;②MOF易于实现等离子体与传导模式的相位匹配．在纤芯内引入小气孔降低传导模的有效折射率，便于实现纤芯传导模与等离子体波的共振耦合．当微流体流经镀膜的包层气孔时，其n值的变化引起透射损耗峰的变化能够被实时监测。
COMSOL是一款基于有限元法(FEM算法）求解矢量Maxwell方程的专业微纳光子学仿真分析软件，可用于微纳光学材料、微纳光子器件等微纳光子学领域的设计、分析与优化。通过其特有的多系数材料建模功能，COMSOL能够准确地模拟宽光谱范围内的材料光学属性，因而用户能够高效地计算器件在很宽谱带内的响应。独有的自适应和共形网格技术，在减少计算资源的同时大大提高了计算结果的精度。COMSOL高度优化的计算引擎能够充分利用多核多节点计算系统，从笔记本电脑到高性能计算集群，其内置的优化模块能加速优化微纳光子器件。它可以专业地解决各种应用问题，涉及光的散射，衍射，辐射和传播等。
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。
2. 研究内容与预期目标
本文通过理论性知识去学习了解光学SPR的基本原理以及光纤SPR的工作原理。
延伸分析光子晶体光纤SPR传感器的工作原理，根据所了解的知识，并通过对COMSOL软件的仿真学习，首先构建出一个最基本的D型光纤SPR传感器结构模型，在D型光纤结构镀上金属膜，使其能够激发表面的等离子共振反应，并在内部气孔填充液体并镀上金属膜层，分析不同参数情况下传感器的性能，根据文献的学习以及参考，先大概构建出模型结构然后进行优化，使结构能够正常运行仿真，运用有限元法计算出模拟参数，并加入到结构模型当中，运行仿真记录数据，分析PCF SPR传感器的性能特点以及它的传感特性受哪些因素的影响。
在此基础上进行优化修改，设计出一种D型的光子晶体光纤SPR传感器。
3. 研究方法与步骤
基于前人的研究成果可知，想更好地利用光子晶体来加强器件的性能，必须要知道能带特性及其内部电磁波的传输性能，而光子满足 Maxwell 方程，因此人们为了能更深入地研究其特性，基于矢量式 Maxwell 方程，计算方法有：传输矩阵法(TMM)、平面波展开法(PWM)、有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)等。
本文采用的主要研究方法为有限元法（FEW），有限元法（FEW）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。COMSOL软件有着广泛的应用性、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。此方法不会局限于光子晶体的几何结构，可以有效地得出所求结构的透射和反射等性能。在光学领域中，COMSOL更是被广泛使用。SPR传感器常用的检测方法有：（1）单色光入射，改变入射角，检测反射光强度随入射角的变化情况，记录反射光强为最小时的入射角，即为共振角，常用于棱镜耦合装置;(2)固定入射光波长和入射角，改变待测物质的属性，记录透射光或者反射光强度与待测样品之间的变化关系;(3)固定入射角，复色光入射，记录透射光或者反射光谱，得到透射率与反射率与入射光波长的关系，进而可以找出共振波长;(4)固定入射光的波长和入射角，检测反射光与入射光之间的相位差。
步骤：分析研究SPR传感器的工作原理，并介绍SPR传感器的结构特点
4. 参考文献
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胡伟,邢砾云,孙玉锋,王玮琪,崔洪亮,张天瑜.表面等离子体共振传感检测方法研究[J].传感器与微系统.2014(05)(P45-P47)
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陈强华,罗会甫,王素梅,王锋,陈新华.基于相位测量的角漂移自适应结构表面等离子体共振气体折射率测量系统[J].光学学报.2012(12)(P172-P178)
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余兴龙,闫硕,定翔,刘芳芳.基于SPR传感的空间相位调制蛋白质芯片检测方法[J].仪器仪表学报.2009(06)(P1134-P1139)
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2022.12下达任务书
2022.1-2022.2 查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告
2022.3-2022.4 熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果
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