光学微腔中光热振荡的传感研究

发布时间：2020-09-04 06:56

　　回音壁模式的光学微腔具有超高的品质因子以及极小的模式体积,因此基于此类光学微腔的生化传感器普遍都有着超高的探测灵敏度,这也使得该类传感器在许多领域有着广泛的应用前景。本文利用微腔的谐振状态随待测物质变化而变化的性质,提出了一种以热耗散率为传感指标的传感机理。通过结合人工神经网络这种先进的参数测量方法,可以有效提取传感信息,获得准确率较高的测量参数,并且能够避免采集整个传输过程,实现低成本检测。当利用探测激光扫频CaF_2光学谐振腔时,在其传输波形上可以观察到显著的自激光热振荡现象。该振荡的形成原因是热膨胀效应,光热效应以及克尔效应三者之间的相互作用。本文建立了该自激光热振荡效应的理论模型,并且对该理论模型进行了仿真分析。研究表明,光热振荡上的振荡周期值与微腔的热耗散率有关。热耗散率的定义为热量从光学微腔传输到腔体周边环境中的速率。热耗散率与待测物质的性质有关,当其性质发生改变时,热耗散率就会相应地发生改变,这在传输过程中表现为振荡周期的变化。随着热耗散率取值的增加,传输波形上的振荡个数逐渐减小,最后趋于平稳。利用这一特点,可以根据传输过程确定此时微腔中热耗散率的值,从而达到高性能传感的目的。然而,多个振荡周期与热耗散率呈非线性关系,无法通过某个振荡周期值有效测量其热耗散率。因此,本文采用了人工神经网络这一先进的非线性参数测量方法。本文采用了两种人工神经网络,即反向传播神经网络和广义回归神经网络,并搭建了基于这两种神经网络的传输数据测量模型,通过输入光热振荡周期值进而测量其相应的热耗散率值。数值仿真结果证明了这种基于神经网络的测量模型可有效地反映出热耗散率的变化趋势,且测量精度较高,对实现基于光学微腔的热参量探测具有重要意义。同时,通过对这两种神经网络性能的比较,发现了GRNN神经网络不仅优化过程更为简单,测量性能也更佳。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TP183;O43
【部分图文】：

结构图,微盘,回音壁,微球腔

的品质因子高达 108数量级[27]。由于其制作工艺较为简单，因此迅速得到了推广。自那时起，各种形式的 WGM 微腔被制作了出来。1990 年，王育竹等中国科学院的研究人员利用玻璃微球腔实现了 881nm 的激光[28]。1992 年，随着微型纳米加工技术的成熟，McCall 等人在 1992 年利用半导体芯片成功研制出了微盘腔[29]，这一发明不仅降低了微腔尺寸，而且实现了低阈值激光器，从而促进了集成光学领域内 WGM 光学微腔的发展。目前，对 WGM 光学微腔的研究已扩展到了多个领域，典型的有基于 WGM 光学微腔的高灵敏度传感器[30-35]、低阈值激光器[36]、调制器[37]以及滤波器[38,39]等回音壁模式微腔按照形状分类，有微盘腔，微球腔，环形腔，微芯圆环腔，圆柱腔等；按照制作材料分类，可以分为如 Si，SiO2等半导体材料，如 CaF2，MgF2等晶体材料，如 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等有机材料。不同材料的微腔在不同情况下都有其独特的优势。例如，当使用光学微腔进行非线性效应的研究时，必须使用具有非常小的光损的材料，例如氟化钙，氟化镁等材料制作微腔。在传感和滤波器的应用中，就必须使用到微环腔以及微盘腔。各种回音壁微腔的结构图如图 1-1 所示。

微球腔,微腔

当光学微腔的材料、尺寸或外部环境改变时，谐振此，可以通过微腔感测任何可以引起其尺寸和材料折射改变微腔尺寸这一方面来说，微腔可被用作压力传感器折射率这一方面来说，微腔可被用作气体、液体传感器微腔尺寸这两方面来说，微腔可被用作温度传感器。学微腔传感在探测微量物质方面已经取得了极大的研究生物分子的探测已达到非常灵敏的水平。目前，应用于构主要有微球谐振腔，微环谐振腔以及微盘谐振腔这三理论上拥有极高的品质因子，常用来探测微纳米粒子。 Vollmer 等人最先提出了基于回音壁微球腔的光学生化 1-2 所示。该团队利用该实验装置，成功检测到了牛血清传感器可以应用于生物分子探测领域。在之后几年，该病毒单个分子的检测，推测出病毒分子半径约为 47nm腔，进一步提高了病毒分子探测极限，实现了对半径为测[43]。

微盘,NaCl浓度,生化传感器,光学微腔

于探测 NaCl 浓度的微盘腔传感器实验装icrodisk cavity sensor experimental deviceconcentration[49]工艺简单而受到研究人员的广泛关腔的光学生化传感器[51]。2009 年，涉仪与光学微腔互相耦合的新型生物谱范围和良好的传感灵敏度。2013

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