【摘要】：隨著波導(dǎo)光柵理論研究的逐漸成熟,波導(dǎo)光柵因其獨(dú)特的波導(dǎo)光柵共振特性和結(jié)構(gòu)多樣性,被廣泛應(yīng)用于光學(xué)傳感器的研究,波導(dǎo)光柵傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,靈敏度高和實(shí)時監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn),更適用于對生物成分含量較低的待測溶液進(jìn)行測量。本文以光柵衍射特性和波導(dǎo)光學(xué)傳輸特性為理論基礎(chǔ),基于波導(dǎo)光柵共振原理和多孔硅特有的光學(xué)傳感機(jī)理,構(gòu)建了含多孔硅檢測單元的波導(dǎo)光柵傳感結(jié)構(gòu),通過在光柵表面涂覆聚合物功能膜層優(yōu)化其共振光譜特性,利用波導(dǎo)光柵共振相位條件和古斯?jié)h欣位移理論建立折射率傳感機(jī)理,并分析其傳感特性,論文的主要內(nèi)容包括:首先,基于光柵的衍射特性和介質(zhì)波導(dǎo)的光學(xué)傳輸特性分析了波導(dǎo)光柵共振原理和共振形成條件,并研究了多層膜波導(dǎo)光柵共振等效波導(dǎo)模型,依據(jù)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的本征方程研究了光柵參數(shù)、波導(dǎo)參數(shù)、基底參數(shù)、包覆層參數(shù)和入射角度等相關(guān)參量對波導(dǎo)光柵共振光譜特性的影響,為波導(dǎo)光柵傳感器的研究提供理論指導(dǎo)。其次,基于波導(dǎo)光柵共振原理和多孔硅特有的光學(xué)傳感機(jī)理,設(shè)計(jì)了含多孔硅層的波導(dǎo)光柵折射率傳感結(jié)構(gòu),利用波導(dǎo)光柵共振條件建立待測物折射率與共振波長之間的關(guān)系分析其折射率傳感機(jī)制,依據(jù)波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對共振光譜特性的影響規(guī)律對波導(dǎo)光柵材料進(jìn)行了優(yōu)化選擇,最后分析了該光學(xué)傳感結(jié)構(gòu)的折射率傳感特性。最后,設(shè)計(jì)了一種含多孔硅層的表面覆膜波導(dǎo)光柵傳感結(jié)構(gòu),通過在光柵表面涂覆聚合物功能膜層優(yōu)化其共振光譜特性,從而提高傳感器的Q值和靈敏度,依據(jù)待測物折射率和共振波長之間的關(guān)系研究其傳感特性,通過與未覆膜的波導(dǎo)光柵傳感器進(jìn)行性能對比分析,驗(yàn)證了該含多孔硅層的表面覆膜波導(dǎo)光柵傳感器高靈敏度和高Q值的傳感優(yōu)勢。
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212;TN253
【圖文】：

作用[7-9]。圖 1-1 光學(xué)傳感器的工作原理折射率通常可以用來表征物質(zhì)光學(xué)特性，在生物信息檢測時可以將其作為一個中間參量來間接反應(yīng)物質(zhì)的濃度和組分等相關(guān)信息[10]。光學(xué)折射率傳感器是將待測物折射率的改變轉(zhuǎn)換成光信號進(jìn)行輸出，通過分析反射譜或透射譜的變化來檢測與折射率相關(guān)的信息參量的光學(xué)器件。目前，光學(xué)折射率傳感器的研制已經(jīng)取得了非常顯著的成果，主要有光柵波導(dǎo)傳感器[11,12]、波導(dǎo)微腔傳感器[13,14]、光子晶體傳感器[15,16]和表面等離子體共振(SPR)傳感器[17,18]等，這些傳感器的理論研究和制備技術(shù)都已經(jīng)相對成熟，但也都存在各自的不足和局限性，如表面等離子體共振傳感器的表面金屬膜制備成本高、樣本重復(fù)利用率低且對激發(fā)光源要求較高等，因此，研制出光學(xué)結(jié)構(gòu)更為簡單、檢測靈敏度更高和能夠?qū)崟r快速檢測的高性能光學(xué)傳感器成為了當(dāng)代人們追求的目標(biāo)。

周期遠(yuǎn)小于或接近入射波長時，此類光柵在光波作用下級次的衍射光會以倏逝波形式存在，這種光柵結(jié)構(gòu)叫做只可由入射光激發(fā)零級衍射光，因此光柵結(jié)構(gòu)類似于一利用一種特殊的方法將光柵等效成均勻的介質(zhì)薄膜對其法稱之為等效介質(zhì)理論，用等效介質(zhì)理論可計(jì)算光柵等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 分別代表 TE 波和 TM 波作用下光柵的等效折射率材料的折射率， f 為光柵的占空比，等效介質(zhì)理論是對，比嚴(yán)格耦合波計(jì)算方法更為簡便，在后續(xù)光柵的計(jì)算質(zhì)波導(dǎo)的光學(xué)特性

燕山大學(xué)工程碩士學(xué)位論文量分析法，計(jì)算量相對較大；有限元分析法可以將周成邊界問題進(jìn)行求解，采用周期邊界條件對研究域進(jìn)只需分析其中一個柵單元即可，可以有效減少計(jì)算過似處理方法，將光柵等效成均勻的光學(xué)薄膜來分析，單方便，在實(shí)際分析過程中，將等效介質(zhì)理論和其他單方便。合波計(jì)算法計(jì)算法是通過設(shè)置邊界條件并嚴(yán)格的求解 Maxwell 的計(jì)算方法，本文分別討論了不同偏振模式的入射光程，如圖 2-2 所示，假設(shè)光柵脊和光柵槽的折射率分別，高度為d，占空比為 f ，入射光斜入射到周期光柵結(jié)上下空間分別標(biāo)記為區(qū)域 I 和區(qū)域 II。

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本文編號：2766776