含多孔硅层的表面覆膜波导光栅传感特性研究

发布时间：2020-07-23 03:18

【摘要】：随着波导光栅理论研究的逐渐成熟,波导光栅因其独特的波导光栅共振特性和结构多样性,被广泛应用于光学传感器的研究,波导光栅传感器具有结构简单,灵敏度高和实时监测等优点,更适用于对生物成分含量较低的待测溶液进行测量。本文以光栅衍射特性和波导光学传输特性为理论基础,基于波导光栅共振原理和多孔硅特有的光学传感机理,构建了含多孔硅检测单元的波导光栅传感结构,通过在光栅表面涂覆聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,利用波导光栅共振相位条件和古斯汉欣位移理论建立折射率传感机理,并分析其传感特性,论文的主要内容包括:首先,基于光栅的衍射特性和介质波导的光学传输特性分析了波导光栅共振原理和共振形成条件,并研究了多层膜波导光栅共振等效波导模型,依据波导光栅结构的本征方程研究了光栅参数、波导参数、基底参数、包覆层参数和入射角度等相关参量对波导光栅共振光谱特性的影响,为波导光栅传感器的研究提供理论指导。其次,基于波导光栅共振原理和多孔硅特有的光学传感机理,设计了含多孔硅层的波导光栅折射率传感结构,利用波导光栅共振条件建立待测物折射率与共振波长之间的关系分析其折射率传感机制,依据波导光栅结构参数对共振光谱特性的影响规律对波导光栅材料进行了优化选择,最后分析了该光学传感结构的折射率传感特性。最后,设计了一种含多孔硅层的表面覆膜波导光栅传感结构,通过在光栅表面涂覆聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,从而提高传感器的Q值和灵敏度,依据待测物折射率和共振波长之间的关系研究其传感特性,通过与未覆膜的波导光栅传感器进行性能对比分析,验证了该含多孔硅层的表面覆膜波导光栅传感器高灵敏度和高Q值的传感优势。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TN253
【图文】：

光学折射率,传感器

作用[7-9]。图 1-1 光学传感器的工作原理折射率通常可以用来表征物质光学特性，在生物信息检测时可以将其作为一个中间参量来间接反应物质的浓度和组分等相关信息[10]。光学折射率传感器是将待测物折射率的改变转换成光信号进行输出，通过分析反射谱或透射谱的变化来检测与折射率相关的信息参量的光学器件。目前，光学折射率传感器的研制已经取得了非常显著的成果，主要有光栅波导传感器[11,12]、波导微腔传感器[13,14]、光子晶体传感器[15,16]和表面等离子体共振(SPR)传感器[17,18]等，这些传感器的理论研究和制备技术都已经相对成熟，但也都存在各自的不足和局限性，如表面等离子体共振传感器的表面金属膜制备成本高、样本重复利用率低且对激发光源要求较高等，因此，研制出光学结构更为简单、检测灵敏度更高和能够实时快速检测的高性能光学传感器成为了当代人们追求的目标。

共振模型,波导,等效介质理论,光栅

周期远小于或接近入射波长时，此类光栅在光波作用下级次的衍射光会以倏逝波形式存在，这种光栅结构叫做只可由入射光激发零级衍射光，因此光栅结构类似于一利用一种特殊的方法将光栅等效成均匀的介质薄膜对其法称之为等效介质理论，用等效介质理论可计算光栅等2 2 1/2TE H Ln [ fn (1 f ) n]2 2 1/2TM H L L Hn n n /[ fn (1 f ) n]TMn 分别代表 TE 波和 TM 波作用下光栅的等效折射率材料的折射率， f 为光栅的占空比，等效介质理论是对，比严格耦合波计算方法更为简便，在后续光栅的计算质波导的光学特性

光栅结构,矩形,周期

燕山大学工程硕士学位论文量分析法，计算量相对较大；有限元分析法可以将周成边界问题进行求解，采用周期边界条件对研究域进只需分析其中一个栅单元即可，可以有效减少计算过似处理方法，将光栅等效成均匀的光学薄膜来分析，单方便，在实际分析过程中，将等效介质理论和其他单方便。合波计算法计算法是通过设置边界条件并严格的求解 Maxwell 的计算方法，本文分别讨论了不同偏振模式的入射光程，如图 2-2 所示，假设光栅脊和光栅槽的折射率分别，高度为d，占空比为 f ，入射光斜入射到周期光栅结上下空间分别标记为区域 I 和区域 II。

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