基于微纳光子结构的折射率传感器研究

发布时间：2020-06-07 12:30

【摘要】：微纳光子结构由于结构紧凑、尺寸接近光波长,因此对周围环境极其敏感,具有超高检测性能,而且可用于光子集成以及微流控系统,构建片上实验室,实现生化检测的微型化、智能化和家庭化。近些年,随着微纳加工工艺的提高,各种微纳光子结构得以实现,为设计更高性能的折射率传感器提供了技术支撑。很多研究机构将设计生物化学传感器的工作集中在研发新型光子结构和提高微纳光子器件性能上。然而,目前已提出的微纳光子结构传感器在设计、制备或适用环境等方面仍然存在诸多不足,且传感性能仍存在较大提升空间。鉴于此,本文分别针对介质结构、金属结构和微结构光纤传感器目前存在的问题,设计了工作波段在1500nm左右、1000nm以下和2000nm左右适合于狭小环境的具有较高性能的折射率传感器。研究主要围绕在探讨几种微纳光子结构的光学性质、检测原理、传感性能和制造方法等方面。本文的工作主要体现在以下几个方面:针对光子晶体传感器需要人为引入缺陷模式导致设计复杂的问题,利用光子准晶的天然缺陷模式设计了十重光子准晶折射率传感器,实验上成功研制出不同结构的十重光子准晶。首先,采用伞状五束光干涉模型理论上设计了二维十重光子准晶结构,通过改变光束的曝光阈值得到了不同结构的光子准晶。在此基础上,通过缺陷模光谱监测方法构建了工作在通信波段的折射率传感器,调整准晶介质柱半径及传感单元尺寸优化了传感器灵敏度,最终设计出分辨率为221 nm/RIU、品质因数为1478、传感单元仅为18μm×4μm的传感器结构。实验上搭建了无顶五棱镜多光束共光路干涉装置,通过改变光束强度、曝光时间和光束均匀度设计并大面积制备了不同结构的十重光子准晶。利用金属微纳结构局域表面等离子体共振(Local Surface Plasmon resonance,LSPR)效应,在近可见光波段构建了金纳米环阵列LSPR折射率传感器。针对随机分布金纳米环易缺失和堆叠的不足,基于金属颗粒二聚体增强LSPR的机理提出了金纳米环阵列传感器的设想。利用有限元法对该结构的电磁场分布和消光光谱进行了分析,并且对金纳米环的尺寸、晶格常数以及入射角度对消光效率的影响进行了研究。单个金纳米环的局域表面等离子体电场分布类似于一对电偶极子,而金纳米环阵列由于金属颗粒二聚体效应又有效增强了该电场强度,从而提高了该传感器的品质因数。该等离子体共振传感器在识别生物分子结合事件方面具有较大潜力。鉴于光纤传感器在狭小环境中的探测优势,在2000nm附近设计了两种PCF SPR折射率传感器。首先,为进一步增强SPR共振强度,利用SPR对偏振方向的敏感性设计了D型高双折射光子晶体光纤SPR传感器。对纤芯x和y方向空气孔的孔径比、金膜厚度以及光纤材料折射率对共振的影响进行了分析。研究发现高双折射结构可有效增强SPR强度,利用低折射率光纤材料可以提高传感器灵敏度,将二者结合可在增强灵敏度的同时提高传感器的品质因数。其次,在提高光纤等离子体共振的同时,为解决大模场与低限制损耗的矛盾,提出了D型双芯光子晶体光纤SPR传感器。利用双芯结构在有效扩大模场面积的同时保证了光纤较低的限制损耗和单模特性,从而提高了检测稳定性,扩大了测量范围。在实验上,利用空心玻璃管堆叠、预制棒熔缩及高温拉制的方法制备了不同结构的PCF,并对它们的横截面微纳结构、弯曲损耗、截止波长等光学特性进行了测量。
【图文】：

检测技术,光子

图 1.1 基于不同检测技术的微纳光子结构(a) 基于光子晶体技术的微纳介质结构；(b) 基于 SPR 技术的微纳金属结构；(c)基于光纤技术的微结构光纤表 1.1 微纳光子结构传感器的应用领域类型技术手段工作波长(nm) 特点应用领域微纳介质传感器光子晶体检测 1500~1600具有光子带隙测量透射谱便于芯片集成微流控液体、气体测量微纳金属颗粒传感器表面等离子体共振检测600~1000表面检测测量表面吸收生物医学检测现场测量微结构光纤传感器光纤检测 1000~2000倏逝场损耗测量透射谱传输距离远远距离探测探测狭小环境实时性测量在接下来的几节中，，本文将根据微纳光子器件检测技术的不同对其研究状况进行展开描述。

点缺陷,光子晶体,折射率,传感器

晶体折射率传感器 (a) 点缺陷型[16]；(b) 线缺公司的 E Chow 团队[18]在二维光子晶体中计了生化折射率传感器，实现了光子晶体 Wu 等人[19]介绍了在三维光子晶体的线缺的概念。第二年，美国加州大学圣地光子晶体点缺陷（微腔）传感器对蛋白质a 所示。随后几年，Liu Y 等人[17]利用二维
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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