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研究生:鄭惟頂
研究生(外文):Wei-Ding Zheng
論文名稱:D型多模光纖感測器與ATR稜鏡感測器對液體折射率量測之研究
論文名稱(外文):Liquid refractive index measurements by uses of D-type multi-mode fiber sensors and the ATR prism type sensor
指導教授:邱銘宏邱銘宏引用關係
指導教授(外文):Ming-Hung Chiu
學位類別:碩士
校院名稱:國立虎尾科技大學
系所名稱:光電與材料科技研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:D型光纖光纖感測器ATR感測器
外文關鍵詞:OFSD-type optical fiber sensorATR sensor
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本篇論文分別利用光纖感測器及稜鏡感測器兩種不同方法,對於不同折射率的待測液體做量測。
1. 為了要提高D型光纖對於待測物折射率的靈敏度與解析度,本研究D型多模光纖感測器將利用光譜分析(optical spectrum analyzer)的方法與衰減全反射(attenuated total reflection, ATR)及表面電漿共振(surface plasmon resonance, SPR)原理來作研究。
將金膜的鍍膜厚度從20~50nm做改變,不同金膜厚度的情況下,可以觀察出當待測液體折射率改變時,所量測到光強度比值最低點所對應的漸逝波長也會隨著偏移。而波長最小解析度為0.01nm,在待測折射率 1.33~1.47的範圍內,解析度最佳可達5.2×10-7 (RIU)。
2. 有別於一般的SPR稜鏡感測器,本研究提出一種新型的S偏極ATR稜鏡感測器,針對液體折射率量測做強度法模擬分析與實驗。模擬結果可得到最佳鍍膜厚度參數,並可得知對於不同折射率的待測液體,其共振角的角度範圍並與SPR感測器做相互比較。
模擬結果顯示,利用S偏極ATR稜鏡感測器,在待測液體折射率n= 1.33~1.47的範圍中,其解析度可以比SPR感測器更加穩定,而其最佳解析度可達1.89×10-6 (RIU),同時其共振角的半高寬比SPR稜鏡感測器來的窄,結果顯示出S偏極光一樣可做為量測之用。
In this study, we propsed two methods for liquid refractive index measurements by uses of D-type multi-mode fiber sensors and the ATR prsim type sensor.
1. A multi-mode D-type optical fiber sensor based on the surface plasmon resonance(SPR), attenuated total reflection(ATR) and using optical spectrum analyzer method is presented. It is coated with an Au-film layer with a thickness of 20~50nm to detect the refractive variation of a liquid by measuring the output spectrum. Calculation of the reflectance ratio of the specimen, compared to water, enables determination of the resonant wavelength and the refractive index. The proposed method is used to enhance the measurement sensitivity and achieve a resolution to 5.2×10-7(RIU).
2 Being different with the usual SPR prism type sensor, a novel measurement system based on attenuated total reflection(ATR) with S polarization was built up in our Lab. For measuring the liquid refractive index, we used five-layers ATR sensors to simulate its attenuated angles corresponding different refractive index liquid and the best coating thickness. Comparing the resoulation between S- and P-polarizations, the S-polarized ATR sensor is better than the P-polarized SPR sensor, and the resoulation can achieve to 1.89×10-6 (RIU). The results exhibits that is feasibility to use S-polarization for measurement.
目 錄
摘要 .....................................................i
Abstract ................................................ii
誌謝 ...................................................iii
目錄 ....................................................iv
表目錄 .................................................vii
圖目錄 ................................................viii
符號表 .................................................xii
第一章 緒論 ............................................1
1.1 前言 .................................................1
1.2 研究動機與目的 .......................................2
1.2.1 表面電漿式光纖感測器 .............................2
1.2.2 稜鏡感測器 .......................................3
1.3 論文架構 .............................................4
第二章 表面電漿波與衰減全反射 ............................5
2.1 表面電漿波 ...........................................5
2.1.1 SPR發展時程回顧 ……………………………............5
2.1.2 電漿波 …………………………………………...........5
2.1.3 表面電漿共振 …………………………………...........6
2.1.4 激發表面電漿波的方法 …………………………………….6
2.2 表面電漿感測器介 …………………………….…………………7
2.2.1 稜鏡式表面電漿共振感測器 ……………………………….8
2.2.2 光柵式表面電漿共振感測器 ..…………………………….9
2.2.3 光波導式表面電漿共振感測器 …..………………………10
2.3 歷代光纖感測器簡介 ……………………………………………11
2.3.1 腰狀光纖感測器 ……………………………………………11
2.3.2 異質核心結構之表面電漿共振感測器 …….…………….13
2.3.3 IGI(Inverted graded-index profile)光纖式表面電漿感
測器.............................................14
2.3.4 波導式單模光纖感測器 ……………………………………15
2.3.5 化學蝕刻式反射型單模光纖之表面電漿共振微型感測器.17
2.3.6環狀雙折射D型光纖(HB-D-FLM)折射率計 .……………….18
2.3.7 波長掃描式D型單模光纖感測器 …..…………………….19
2.3.8交點分析式多模光纖感測器 ………..…………………….20
2.4 歷代光纖感測器之比較 …………………………………………21
第三章 表面電漿波與衰減全反射之理論分析 …………………….22
3.1 激發表面電漿波之數學模式推導 ………………………………22
3.2 Kretschmann 架構之多層反射率 …..……………..…………25
3.3 光纖SPR技術之原理 ………………….…………………………29
第四章 實驗架構與結果討論 ……………………………………….33
4.1 D-type 光纖結構 ……………………………………………….33
4.1.1 D-type 光纖製作過程 …………………………………….34
4.1.2 鍍上金屬膜 …………………………………………………35
4.1.3 D-type 光纖剖面結構 …………………………………….36
4.2 實驗光源 …………………………………………………………37
4.3 D型光纖感測器對液體折射率量測 ….…………………………39
4.3.1 實驗步驟與架構 ……………………………………………39
4.3.2 實驗結果 ……………………………………………………40
4.3.3 結果討論與分析 ……………………………………………43
第五章 ATR稜鏡感測器之模擬與分析 …......................49
5.1 五層ATR稜鏡感測器簡介 ……………………………………….49
5.1.1 五層ATR稜鏡感測器結構 ………………………………….49
5.2 模擬參數及結果 …………………………………………………50
5.2.1 四層架構之模擬結果 ………………………………………51
5.2.2 五層架構之模擬結果 ………………………………………56
5.2.3 四層架構與五層架構之模擬結果比較分析 ………………63
5.3 五層ATR感測器之共振角、靈敏度與解析度 ………………….67
5.3.1 五層ATR感測器之共振角 ………………………………….67
5.3.1.1 共振角的半高寬(FWHM) …………………...……...71
5.3.2 五層ATR感測器之靈敏度與解析度 ……………………….72
5.4 模擬結果數據整理 ………………………………………………74
5.5 實驗驗證 …………………………………………………………80
5.5.1 實驗步驟與架構 ……………………………………………80
5.5.2 實驗參數 ……………………………………………………81
5.5.3 實驗結果與討論 ……………………………………………83
第六章 結論及未來展望 …………………………………………….84
6.1 結論 ………………………………………………………………84
6.1.1 D型多模光纖感測器對液體折射率量測 ………………….84
6.1.2 ATR稜鏡改測器對液體折射率之量測 …………………….84
6.2 未來展望 …………………………………………………………85
6.2.1 生物樣本感測 ………………………………………………85
6.2.2 探針式量測 …………………………………………………85
參考文獻 ………………………………………………………………86
英文論文大綱 ...........................................90
作者簡歷 ………………………………………………………………93


表目錄
表(一) 感測器分類 ……………………………………………………1
表(二) 歷代OFS整理 …………………………………………………21
表(三) 不同厚度下,各折射率所對應之波長 …………………….44
表(四) 金膜50nm之實驗數據 ……………………………………….46
表(五) 金膜40nm之實驗數據 ……………………………………….46
表(六) 金膜30nm之實驗數據 ……………………………………….47
表(七) 金膜20nm之實驗數據 ……………………………………….47
表(八) 四層結構下,不同折射率對應之最佳金膜厚度 ………….51
表(九) 五層結構下,不同折射率對應之最佳金膜厚度 ………….57
表(十) 四層SPR感測器模擬結果 …………………..………………75
表(十一) 四層SPR感測器模擬結果 …………………..……………76
表(十二) 五層ATR感測器模擬結果 …………………..……………77
表(十三) 五層ATR感測器模擬結果 …………………..……………78
表(十四) 共振角之半高寬比較 …………………………………….79



圖目錄
圖2.1激發金屬表面電漿的耦合方式 …………………………………7
圖2.2 (a)Otto組態、(b)KR組態 …………………………………….9
圖2.3光纖光柵表面電漿共振量測折射率示意圖 ………………….10
圖2.4(a) taper fiber結構圖 ..……...………………………….12
圖2.4(b) 在taper fiber單面鍍上金膜 ……………………………12
圖2.5 taper fiber實驗架構圖 …………………………………….13
圖2.6 Hetero-core 光纖 ……………………………………………14
圖2.7 Hetero-core 光纖感測器 ……………………………………14
圖2.8 IGI光纖感測器架構 ………………………………………….15
圖2.9 波導式光纖結構圖 ……………………………………………16
圖2.10 波導式光纖感測器實驗架構圖 …………………………….16
圖 2.11 SPR Microdevice 結構圖 ……………..…………………17
圖2.12 化學蝕刻式單膜光纖之表面電漿共振微型感測器實驗架構18
圖2.13 HB-D-FLM之實驗架購 ……………………………………….18
圖2.14(a) D型光纖結構圖 ………………………………………….19
圖2.14(b) 實驗架構圖 ………………………………………………19
圖2.15 交點分析式光纖感測器 (a)實驗架構 ..………………….20
圖2.15 交點分析式光纖感測器 (b)光纖結構 …………………….20
圖3.1 電場入射平面示意圖 …………………………………………22
圖3.2 電場平行入射平面示意圖 ……………………………………25
圖3.3 電場垂直入射平面示意圖 ……………………………………28
圖3.4 三層結構圖 ……………………………………………………28
圖3.5 多層ATR感測器示意圖 ……………………………………….32
圖4.1 光纖結構圖 ……………………………………………………34
圖4.2 光纖固定於玻璃基板加熱示意圖 ……………………………35
圖4.3 玻璃基板上的光纖 ……………………………………………35
圖4.4 光纖研磨機台 …………………………………………………35
圖4.5 D-type 光纖剖面圖 ………………………………………….36
圖4.6 光入射D-type 光纖內之剖面示意圖 ……………………….36
圖4.7 D型光纖感測器實驗架構圖 ………………………………….40
圖4.8(a) 折射率n=1.3481與水的強度變化 ……………………….41
圖4.8(b) 折射率n=1.3481之對應波長683.56 nm …………………41
圖4.9(a) 折射率n=1.3517 與水的強度變化 ………………………41
圖4.9(b) 折射率n=1.3517之對應波長684.53 nm …………….….41
圖4.10(a) 折射率n=1.383 與水的強度變化 ………..……..……42
圖4.10(b) 折射率n=1.383之對應波長747.18 nm ………………..42
圖4.11(a) 折射率n=1.3885 與水的強度變化 ……....………...42
圖4.11(b) 折射率n=1.3885之對應波長742.76 nm ……………….42
圖4.12 金膜厚度50nm時,不同折射率所對應之波長 …………….43
圖4.13 不同金膜厚度時,改變待測折射率其所對應之波長 …….44
圖4.14 不同金膜厚度下,折射率靈敏度的變化 ………………….45
圖5.1(a) 稜鏡感測器四層結構 …………………………………….49
圖5.1(b) 稜鏡感測器五層結構 ..………………………………….49
圖5.2(a) 待測折射率1.33 ………………………………………….52
圖5.2(b) 待測折射率1.35 ………………………………………….52
圖5.2(c) 待測折射率1.37 ………………………………………….53
圖5.2(d) 待測折射率1.39 ………………………………………….53
圖5.2(e) 待測折射率1.41 ………………………………………….54
圖5.2(f) 待測折射率1.43 ………………………………………….54
圖5.2(g) 待測折射率1.45 ………………………………………….55
圖5.2(h) 待測折射率1.47 ………………………………………….55
圖5.3 五層結構,第四層鍍上SiO2 ..........................57
圖5.4 TiO2厚度範圍10nm~100nm ……………………………………58
圖5.5(a) 待測折射率1.33 ………………………………………….58
圖5.5(b) 待測折射率1.35 ………………………………………….59
圖5.5(c) 待測折射率1.37 ………………………………………….59
圖5.5(d) 待測折射率1.39 ………………………………………….60
圖5.5(e) 待測折射率1.41 ………………………………………….60
圖5.5(f) 待測折射率1.43 ………………………………………….61
圖5.5(g) 待測折射率1.45 ………………………………………….61
圖5.5(h) 待測折射率1.47 ………………………………………….62
圖5.6 細分TiO2厚度模擬 ……………………………………………62
圖5.7(a) n=1.33,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….63
圖5.7(b) n=1.35,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….64
圖5.7(c) n=1.37,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….64
圖5.7(d) n=1.39,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….65
圖5.7(e) n=1.41,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….65
圖5.7(f) n=1.43,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….66
圖5.7(g) n=1.45,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….66
圖5.7(h) n=1.47,四層SPR與五層ATR之比較 …………………….67
圖5.8 五層結構,待測物n=1.33之反射率模擬(內角) ……………69
圖5.9 n=1.33,共振角(內角)=61.7477 ∘……………………………………....69
圖5.10五層結構,待測物n=1.33之反射率模擬(外角) ……………70
圖5.11 n=1.33,共振角(外角)=2.6485 ∘………………………………….....70
圖5.12 五層結構,n=1.33之反射率曲線圖 ……………………….71
圖 5.13 四層結構與五層結構之半高寬比較 ………………………72
圖5.14 找出解析度之Δθmin(-60dB) ……………………………….74
圖5.15 共振角(內角)整理圖 ……………………………………….74
圖5.16 共振角(外角)整理圖 ……………………………………….75
圖5.17五層ATR稜鏡感測器之實驗架構 …………………………...80
圖 5.18 鍍膜結構剖面SEM圖 ……………………………………….82
圖 5.19待測物n=1.33之反射率圖 ………………………………….82
圖 5.20模擬結果與實驗數據 ……………………………………….83
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