回音壁模式光学微腔传感原理及性能研究

发布时间：2021-05-18 10:31

　　近年来,化学和生物物质检测在环境保护、疾病监测和药物发现等领域的重要性愈发凸显,基于锥形光纤耦合光学微腔产生的回音壁模式（Whispering Gallery Mode,WGM）具有超高的品质因数和较小的模式体积,使得WGM光学微腔耦合系统可对环境中的微小变化进行检测,并获得比传统微纳光学传感器更高的灵敏度和更低的探测极限,从而受到广泛的关注。此外,与WGM微腔结合的法诺（Fano）共振效应在生化传感应用方面,由于其不对称且高斜率的Fano线型可实现对灵敏度和探测极限的进一步提高,并且激发方法只需通过构造连续态与WGM干涉即可,同时得到广泛的研究。为了尽快将WGM光学微腔生化传感器从实验研究阶段向商业应用领域推进,对传感器的性能和工作稳定性提出了更高的要求。本文为了更好地应用与Fano共振效应结合的WGM微腔以实现性能提升的目的,一种更稳定高效的Fano共振激发方式需要被提出;并且还需解决目前面临的极小粒子诱导的模式劈裂现象不易识别问题;以及需要解决在生化传感应用中液相探测环境对耦合锥形光纤造成的不稳定工作状态问题。所以本文围绕限制WGM光学微腔传感器性能提升的因素和液相环境对锥形光纤... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省

【文章页数】：136 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 回音壁模式光学微腔及传感应用简介
        1.1.1 回音壁模式光学微腔
        1.1.2 WGM微腔传感对象
        1.1.3 WGM微腔传感器形状
    1.2 WGM传感性能优化和面临问题
        1.2.1 传感性能优化方法
        1.2.2 法诺共振优化效应
        1.2.3 亟待解决的问题
    1.3 论文主要研究内容及意义
    1.4 论文章节安排
第2章 回音壁模式微腔传感器结构与原理
    2.1 引言
    2.2 电磁场理论微腔模型
        2.2.1 球形微腔
        2.2.2 瓶形微腔
    2.3 几何光学理论微腔模型
        2.3.1 柱形微腔
        2.3.2 锥形微腔
    2.4 回音壁传感应用性能参数及指标
        2.4.1 回音壁模式表征参数
        2.4.2 传感机制及分类
        2.4.3 传感性能指标
    2.5 本章小结
第3章 回音壁模式微腔耦合系统的制备和表征
    3.1 引言
    3.2 回音壁模式微腔耦合理论
        3.2.1 微腔耦合方式简介
        3.2.2 耦合模理论
        3.2.3 锥形光纤近场耦合
    3.3 回音壁模式微腔耦合系统的制备
        3.3.1 锥形光纤的制备
        3.3.2 球形微腔的制备
        3.3.3 柱(锥)形微腔的制备
        3.3.4 柱锥形微腔的制备
    3.4 回音壁模式微腔透过谱表征
        3.4.1 球形微腔的耦合模式谱
        3.4.2 柱(锥)形微腔的耦合模式谱
        3.4.3 柱锥形微腔的耦合模式谱
    3.5 本章小结
第4章 法诺共振的激发及对传感性能的提升
    4.1 引言
    4.2 法诺共振激发方式
        4.2.1 双腔系统激发法诺共振
        4.2.2 单腔系统激发法诺共振
    4.3 微腔Drop端与光纤臂干涉激发法诺共振
        4.3.1 理论基础
        4.3.2 法诺共振激发实验装置
        4.3.3 实验结果分析与讨论
    4.4 法诺干涉调制模式劈裂传感机制
        4.4.1 理论基础
        4.4.2 模式劈裂识别系统的搭建
        4.4.3 实验结果分析与讨论
    4.5 本章小结
第5章 回音壁模式光学微腔传感应用
    5.1 引言
    5.2 基于球形微腔的重水浓度探测
        5.2.1 模式移动传感机理
        5.2.2 微球腔耦合探测系统
        5.2.3 实验结果分析与讨论
    5.3 基于柱形微腔的轴向位置探测
        5.3.1 轴位探测理论模型
        5.3.2 柱腔轴位探测实验
        5.3.3 实验结果分析与讨论
    5.4 基于柱锥形微腔的抗原浓度检测
        5.4.1 柱锥形微腔检测优势
        5.4.2 抗体表面修饰方法
        5.4.3 抗原检测实验与结果分析
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 工作不足与后续展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]Polarization-modified Fano line shape spectrum with a single whispering gallery mode[J]. PengFa Chang,BoTao Cao,LiGang Huang,JiWei Li,Yue Hu,Feng Gao,WenDing Zhang,Fang Bo,XuanYi Yu,GuoQuan Zhang,JingJun Xu.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2020(01)
[2]单个回音壁微腔中Fano共振现象的观测（英文）[J]. 郭舒婷,陈敏诚,张宇宏,吴柳乐,叶明勇,林秀敏.  光子学报. 2019(11)
[3]回音壁模式光学微腔传感[J]. 唐水晶,李贝贝,肖云峰.  物理. 2019(03)
[4]Theoretical aspects and sensing demonstrations of cone-shaped inwall capillary-based microsphere resonators[J]. XIAOBEI ZHANG,YONG YANG,HUAWEN BAI,JIAWEI WANG,MING YAN,HAI XIAO,TINGYUN WANG.  Photonics Research. 2017(05)
[5]Experimental observation of Fano-like resonance in a whispering-gallery-mode microresonator in aqueous environment[J]. YAN-LEI SHANG,MING-YONG YE,XIU-MIN LIN.  Photonics Research. 2017(02)
[6]回音壁模式光学微腔:基础与应用[J]. 邹长铃,董春华,崔金明,孙方稳,杨勇,吴晓伟,韩正甫,郭光灿.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2012(11)

硕士论文
[1]Bottle光学微谐振腔与锥形光纤模式耦合相关研究[D]. 张昆.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2017
[2]基于微纳光纤耦合器的高灵敏度无标生物传感器的研究[D]. 汪海.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2016



本文编号：3193636