基于回音壁模式微腔的法诺共振应用研究
发布时间：2021-06-16 18:42
回音壁模式微腔通常是尺寸在几十到数百微米的介电微腔,例如微球、微盘和微环,它们可以通过连续的全内反射将光限制在微腔内部。由于回音壁模式微腔具有高品质因子和小模式体积的独特物理特性,因此被广泛应用在传感、低阈值激光、光学滤波和非线性光学等领域。近些年来,由于光子学中的法诺共振具有独特的谱线形状,其光谱线型可以通过调节法诺参数进行改变,所以受到了研究者的重点关注。将法诺共振与回音壁模式微腔相结合,以研究其产生的现象和相关应用,是目前比较热门的研究方向。本论文研究了基于回音壁模式微腔的法诺共振应用以及毫米级微腔中的法诺共振,本论文叙述的具体研究工作如下:（1）探究了高阶法诺共振在薄壁液芯环形微腔中的应用。首先理论上用数值仿真方法分析了不同高阶模式在环形微腔中的渗透深度,以及灵敏度与品质因子之间的关系。其次实验上用氢氟酸溶液减小毛细管壁厚,在其中通入乙醇溶液,通过用光纤锥耦合毛细管微腔激发法诺模式,控制液芯温度,实现了法诺共振波长的可调谐。将这种波长可调谐性应用在环形光纤激光器中,实现了连续线性可调谐的激光输出。（2）研究了锥形微腔中震荡法诺模式的应用。文中首先建立了光纤锥耦合锥形微腔的理论模...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）声学回音壁模式
第一章绪论3传感器可分为生物传感器[52-56]、一般物理参数传感器[57,58]、化学传感器[59]，每种传感器又可分为更具体的类别。图1-2各种类型的回音壁模式微腔几何结构。（a）微球，（b）光流控微环，（c）微盘，（d）微芯环。回音壁模式微腔中和外部耦合器中的光都显示为红色[6]。1.1.2回音壁模式微腔的主要应用1、传感器基于回音壁模式微腔的传感器的工作机理一般是监测系统物理变化引起的回音壁模式共振波长的变化，超高的品质因子和很强的倏逝波使回音壁模式共振波长的变化对周围环境非常敏感。因此，回音壁模式微腔已经发展为一种高灵敏度的传感器[60,61-63,64]，如生化传感器、折射率传感器、温度传感器和湿度传感器。生化传感器：当分子与回音壁模式微腔表面结合时，由于微腔的倏逝场需要极化分子[65]，所以光学模式的共振频率将发生偏移。基于这一原理，Su等人开发了一种单分子传感器，称为锁频光学倏逝谐振腔，可用于检测半径从100nm到2.5nm的各种纳米级物体，包括外体、核糖体、小鼠免疫球蛋白G和人体白细胞介素-2[65]。除了直接探测纳米级物体外，回音壁模式微腔还可以通过表面功能化的方法，应用于检测特定的分析物。例如，Ghali等人研制了一种基于LysK功能化回音壁模式微盘的生物传感器，对金黄色葡萄球菌进行实时监测，检测极限为5pg/mL[66]。Swaim等人建立了一个理论模型，其中回音壁模式的共振频移可以通过微环和金纳米棒的结合而得到加强[67]。之后，基于金纳米棒与微腔结合的传感应用得到了广泛的研究。最近，Baaske和Vollmer建立了一个利用回音壁模式传感方法
第一章绪论4去检测水介质中单个原子/离子的系统[68]。如图1-3所示，将金纳米棒结合在二氧化硅微球表面，以激发金纳米棒的LSPR并在金纳米棒尖端产生局部强度热点。当单个原子/离子与等离子体金纳米棒相互作用时，这些热点可以增加共振波长的频移。图1-3（a）回音壁模式传感装置。（b），（c）单个锌或汞离子与金纳米棒的瞬态相互作用及相应的光谱位移[68]。除了检测共振波长频移外，还有一些基于强度的回音壁模式传感器。例如，Heylman等人通过测量回音壁模式能量的变化演示了一种单粒子光热吸收光谱仪[69]。该光谱仪采用片上光学回音壁模式微环作为超灵敏温度计，法诺共振和回音壁模式的融合，使其具有超高的灵敏度，共振位移小于100Hz。折射率传感器：微腔的共振波长与微腔和周围介质的折射率差有直接关系。因此，高品质因子的微腔可以作为高灵敏度的折射率传感器，这些微腔可分为无源微腔和有源微腔。与基于无源微腔的折射率传感器相比[70,71]，例如，Zhu等人利用液芯光学环形腔研制了一种灵敏度为20nm/RIU的折射率探测器[72]，近年来利用有源微腔构建折射率传感器受到越来越多的关注，因为它们能够实现自由空间操作的实用优势。通过在半个有源微球上涂抹高折射率胶水，Kang等人演示了一种基于自由空间激励模式分裂的折射率传感器，该方法能够区分周围环境的折射率变化和温度变化[27]。Wan等人基于自由空间光学测量装置，利用染料掺杂聚合物微环激光器研制了一种灵敏度为75nm/RIU的稳定折射率传感器[73]。Krmmer等人利用自由空间光学方法证明，通过将染料掺杂聚合物微盘的厚度从0.9μm减小到0.21μm，可以将折射率灵敏度从60nm/RIU提高到150nm/RIU[74]。如图1.4所示，Ren等人通过平行放置两个相互耦合的薄壁二氧化硅毛细?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation of plasmonic whispering gallery modes of graphene equilateral triangle nanocavities[J]. Yixin HUANG,Weibin QIU,Shangxin LIN,Jing ZHAO,Houbo CHEN,Jia-Xian WANG,Qiang KAN,Jiao-Qing PAN. Science China（Information Sciences）. 2016(04)
本文编号：3233586
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）声学回音壁模式
第一章绪论3传感器可分为生物传感器[52-56]、一般物理参数传感器[57,58]、化学传感器[59]，每种传感器又可分为更具体的类别。图1-2各种类型的回音壁模式微腔几何结构。（a）微球，（b）光流控微环，（c）微盘，（d）微芯环。回音壁模式微腔中和外部耦合器中的光都显示为红色[6]。1.1.2回音壁模式微腔的主要应用1、传感器基于回音壁模式微腔的传感器的工作机理一般是监测系统物理变化引起的回音壁模式共振波长的变化，超高的品质因子和很强的倏逝波使回音壁模式共振波长的变化对周围环境非常敏感。因此，回音壁模式微腔已经发展为一种高灵敏度的传感器[60,61-63,64]，如生化传感器、折射率传感器、温度传感器和湿度传感器。生化传感器：当分子与回音壁模式微腔表面结合时，由于微腔的倏逝场需要极化分子[65]，所以光学模式的共振频率将发生偏移。基于这一原理，Su等人开发了一种单分子传感器，称为锁频光学倏逝谐振腔，可用于检测半径从100nm到2.5nm的各种纳米级物体，包括外体、核糖体、小鼠免疫球蛋白G和人体白细胞介素-2[65]。除了直接探测纳米级物体外，回音壁模式微腔还可以通过表面功能化的方法，应用于检测特定的分析物。例如，Ghali等人研制了一种基于LysK功能化回音壁模式微盘的生物传感器，对金黄色葡萄球菌进行实时监测，检测极限为5pg/mL[66]。Swaim等人建立了一个理论模型，其中回音壁模式的共振频移可以通过微环和金纳米棒的结合而得到加强[67]。之后，基于金纳米棒与微腔结合的传感应用得到了广泛的研究。最近，Baaske和Vollmer建立了一个利用回音壁模式传感方法
第一章绪论4去检测水介质中单个原子/离子的系统[68]。如图1-3所示，将金纳米棒结合在二氧化硅微球表面，以激发金纳米棒的LSPR并在金纳米棒尖端产生局部强度热点。当单个原子/离子与等离子体金纳米棒相互作用时，这些热点可以增加共振波长的频移。图1-3（a）回音壁模式传感装置。（b），（c）单个锌或汞离子与金纳米棒的瞬态相互作用及相应的光谱位移[68]。除了检测共振波长频移外，还有一些基于强度的回音壁模式传感器。例如，Heylman等人通过测量回音壁模式能量的变化演示了一种单粒子光热吸收光谱仪[69]。该光谱仪采用片上光学回音壁模式微环作为超灵敏温度计，法诺共振和回音壁模式的融合，使其具有超高的灵敏度，共振位移小于100Hz。折射率传感器：微腔的共振波长与微腔和周围介质的折射率差有直接关系。因此，高品质因子的微腔可以作为高灵敏度的折射率传感器，这些微腔可分为无源微腔和有源微腔。与基于无源微腔的折射率传感器相比[70,71]，例如，Zhu等人利用液芯光学环形腔研制了一种灵敏度为20nm/RIU的折射率探测器[72]，近年来利用有源微腔构建折射率传感器受到越来越多的关注，因为它们能够实现自由空间操作的实用优势。通过在半个有源微球上涂抹高折射率胶水，Kang等人演示了一种基于自由空间激励模式分裂的折射率传感器，该方法能够区分周围环境的折射率变化和温度变化[27]。Wan等人基于自由空间光学测量装置，利用染料掺杂聚合物微环激光器研制了一种灵敏度为75nm/RIU的稳定折射率传感器[73]。Krmmer等人利用自由空间光学方法证明，通过将染料掺杂聚合物微盘的厚度从0.9μm减小到0.21μm，可以将折射率灵敏度从60nm/RIU提高到150nm/RIU[74]。如图1.4所示，Ren等人通过平行放置两个相互耦合的薄壁二氧化硅毛细?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Investigation of plasmonic whispering gallery modes of graphene equilateral triangle nanocavities[J]. Yixin HUANG,Weibin QIU,Shangxin LIN,Jing ZHAO,Houbo CHEN,Jia-Xian WANG,Qiang KAN,Jiao-Qing PAN. Science China（Information Sciences）. 2016(04)
本文编号：3233586
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