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超灵敏LSPR-PCF双共振传感器的设计与性能研究

作者及机构
本研究由Md. Ehsanul Haque（1,2）、Nusrat Jahan Diya（1）、Md. Shaikh Salman（3）、Shah Md. Salimullah（1）和Russel Reza Mahmud（1）合作完成。第一作者单位为Ahsanullah University of Science and Technology电气与电子工程系（孟加拉国），合作单位包括Islamic University of Technology和Bangladesh Satellite Company Limited。研究成果发表于《Sensing and Imaging》期刊2025年第26卷，文章编号53。

学术背景
本研究属于光纤传感与表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）交叉领域。传统SPR传感器受限于棱镜结构的体积和角度对准精度，而光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）因其可定制光学特性成为理想替代平台。然而，现有PCF-SPR传感器存在检测范围窄（折射率RI 1.33-1.40）、灵敏度有限（通常<20,000 nm/RIU）等问题。为此，研究团队提出了一种基于局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）的六边形结构PCF传感器，通过整合金（Au）、氧化铟锡（ITO）和银（Ag）三种等离子体材料，实现双偏振共振和超宽波长检测范围（310-1600 nm）。

研究流程
1. 传感器设计与建模
- 使用COMSOL Multiphysics 6.1软件构建六边形PCF模型，采用有限元法（FEM）模拟等离子体相互作用。模型包含10,728个网格单元，最小元素质量0.4529，物理控制网格自由度75,217。
- 结构设计：纤芯周围布置双层环形空气孔（大孔半径R1=0.85 μm，小孔R2=0.2 μm），外部依次为等离子体材料层（Au/ITO/Ag）和待测物层。等离子体材料采用非堆叠式排布以增强协同效应。

1. 参数优化

   • 等离子体层厚度优化：通过控制变量法确定最佳厚度（Au: 60 nm，ITO: 1 nm，Ag: 55 nm）。例如，Au层厚度超过60 nm时，Dual Polarization Peak Shift Sensitivity（DPS）从3,585 nm/RIU降至3,320 nm/RIU，表明过厚会导致光阻尼效应。
     
   • 空气孔尺寸优化：大孔半径R1=0.85 μm时，DPS达3,600 nm/RIU，而小孔半径R2=0.2 μm时波长灵敏度（WS）峰值达3,700 nm/RIU。
     

2. 性能分析

   • 双共振机制：通过x偏振（Au-Ag耦合）和y偏振（ITO主导）实现双共振峰。共振波长随RI增加向长波方向偏移（图9），例如RI从1.37升至1.38时，x偏振共振峰从880 nm移至1,140 nm。
     
   • 灵敏度测试：在RI 1.40-1.41范围内，WS达26,000 nm/RIU，品质因数（FOM）512.67 RIU⁻¹，分辨率3.846×10⁻⁶ RIU。DPS最高值25,960 nm/RIU（RI 1.4-1.41）。
     

3. 制造工艺验证

   • 采用六边形堆拉法（stack-and-draw）制备预成型体，通过光刻和化学气相沉积（CVD）分步镀膜。实验表明，等离子体层厚度偏差±10%时性能波动%，证实设计对制造误差具有鲁棒性（图12）。
     

主要结果
1. 超宽检测范围：传感器覆盖RI 1.3-1.45，远超同类研究（如Islam et al.的1.35-1.41）。
2. 双偏振灵敏度：x偏振（500-1600 nm）和y偏振（310-490 nm）分别对应可见-近红外和紫外光谱，形成互补检测能力。
3. 性能指标突破：WS（26,000 nm/RIU）和分辨率（3.846×10⁻⁶ RIU）均为当前LSPR-PCF传感器的最高记录（表2）。

结论与价值
1. 科学价值：首次将Au-ITO-Ag三材料协同效应应用于PCF传感器，通过双共振机制解决了传统单共振传感器易受环境噪声干扰的问题。
2. 应用价值：在生物医学（如癌症标志物检测）、环境监测（重金属污染）和食品安全（农药残留）等领域具有潜力。例如，其RI检测范围可覆盖葡萄糖溶液（1.33-1.36）和病原体（1.32-1.35）。

研究亮点
1. 材料创新：Au-Ag增强可见-近红外灵敏度，ITO优化紫外响应，三者分置避免耦合干扰。
2. 结构设计：六边形空气孔布局实现92%光限制效率，优于圆形或椭圆结构。
3. 制造友好性：堆拉法与标准光刻工艺兼容，适合规模化生产。

其他发现
该传感器在可穿戴医疗设备（如实时血糖监测）和量子通信（双偏振用于量子密钥分发）中展现出跨学科应用潜力。

（报告总字数：约1,800字）