【摘要】：微納光子結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸接近光波長(zhǎng),因此對(duì)周?chē)h(huán)境極其敏感,具有超高檢測(cè)性能,而且可用于光子集成以及微流控系統(tǒng),構(gòu)建片上實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)生化檢測(cè)的微型化、智能化和家庭化。近些年,隨著微納加工工藝的提高,各種微納光子結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),為設(shè)計(jì)更高性能的折射率傳感器提供了技術(shù)支撐。很多研究機(jī)構(gòu)將設(shè)計(jì)生物化學(xué)傳感器的工作集中在研發(fā)新型光子結(jié)構(gòu)和提高微納光子器件性能上。然而,目前已提出的微納光子結(jié)構(gòu)傳感器在設(shè)計(jì)、制備或適用環(huán)境等方面仍然存在諸多不足,且傳感性能仍存在較大提升空間。鑒于此,本文分別針對(duì)介質(zhì)結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)光纖傳感器目前存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了工作波段在1500nm左右、1000nm以下和2000nm左右適合于狹小環(huán)境的具有較高性能的折射率傳感器。研究主要圍繞在探討幾種微納光子結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)、檢測(cè)原理、傳感性能和制造方法等方面。本文的工作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:針對(duì)光子晶體傳感器需要人為引入缺陷模式導(dǎo)致設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題,利用光子準(zhǔn)晶的天然缺陷模式設(shè)計(jì)了十重光子準(zhǔn)晶折射率傳感器,實(shí)驗(yàn)上成功研制出不同結(jié)構(gòu)的十重光子準(zhǔn)晶。首先,采用傘狀五束光干涉模型理論上設(shè)計(jì)了二維十重光子準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu),通過(guò)改變光束的曝光閾值得到了不同結(jié)構(gòu)的光子準(zhǔn)晶。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)缺陷模光譜監(jiān)測(cè)方法構(gòu)建了工作在通信波段的折射率傳感器,調(diào)整準(zhǔn)晶介質(zhì)柱半徑及傳感單元尺寸優(yōu)化了傳感器靈敏度,最終設(shè)計(jì)出分辨率為221 nm/RIU、品質(zhì)因數(shù)為1478、傳感單元僅為18μm×4μm的傳感器結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)上搭建了無(wú)頂五棱鏡多光束共光路干涉裝置,通過(guò)改變光束強(qiáng)度、曝光時(shí)間和光束均勻度設(shè)計(jì)并大面積制備了不同結(jié)構(gòu)的十重光子準(zhǔn)晶。利用金屬微納結(jié)構(gòu)局域表面等離子體共振(Local Surface Plasmon resonance,LSPR)效應(yīng),在近可見(jiàn)光波段構(gòu)建了金納米環(huán)陣列LSPR折射率傳感器。針對(duì)隨機(jī)分布金納米環(huán)易缺失和堆疊的不足,基于金屬顆粒二聚體增強(qiáng)LSPR的機(jī)理提出了金納米環(huán)陣列傳感器的設(shè)想。利用有限元法對(duì)該結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)分布和消光光譜進(jìn)行了分析,并且對(duì)金納米環(huán)的尺寸、晶格常數(shù)以及入射角度對(duì)消光效率的影響進(jìn)行了研究。單個(gè)金納米環(huán)的局域表面等離子體電場(chǎng)分布類(lèi)似于一對(duì)電偶極子,而金納米環(huán)陣列由于金屬顆粒二聚體效應(yīng)又有效增強(qiáng)了該電場(chǎng)強(qiáng)度,從而提高了該傳感器的品質(zhì)因數(shù)。該等離子體共振傳感器在識(shí)別生物分子結(jié)合事件方面具有較大潛力。鑒于光纖傳感器在狹小環(huán)境中的探測(cè)優(yōu)勢(shì),在2000nm附近設(shè)計(jì)了兩種PCF SPR折射率傳感器。首先,為進(jìn)一步增強(qiáng)SPR共振強(qiáng)度,利用SPR對(duì)偏振方向的敏感性設(shè)計(jì)了D型高雙折射光子晶體光纖SPR傳感器。對(duì)纖芯x和y方向空氣孔的孔徑比、金膜厚度以及光纖材料折射率對(duì)共振的影響進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)高雙折射結(jié)構(gòu)可有效增強(qiáng)SPR強(qiáng)度,利用低折射率光纖材料可以提高傳感器靈敏度,將二者結(jié)合可在增強(qiáng)靈敏度的同時(shí)提高傳感器的品質(zhì)因數(shù)。其次,在提高光纖等離子體共振的同時(shí),為解決大模場(chǎng)與低限制損耗的矛盾,提出了D型雙芯光子晶體光纖SPR傳感器。利用雙芯結(jié)構(gòu)在有效擴(kuò)大模場(chǎng)面積的同時(shí)保證了光纖較低的限制損耗和單模特性,從而提高了檢測(cè)穩(wěn)定性,擴(kuò)大了測(cè)量范圍。在實(shí)驗(yàn)上,利用空心玻璃管堆疊、預(yù)制棒熔縮及高溫拉制的方法制備了不同結(jié)構(gòu)的PCF,并對(duì)它們的橫截面微納結(jié)構(gòu)、彎曲損耗、截止波長(zhǎng)等光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)量。
【圖文】：

圖 1.1 基于不同檢測(cè)技術(shù)的微納光子結(jié)構(gòu)(a) 基于光子晶體技術(shù)的微納介質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b) 基于 SPR 技術(shù)的微納金屬結(jié)構(gòu)；(c)基于光纖技術(shù)的微結(jié)構(gòu)光纖表 1.1 微納光子結(jié)構(gòu)傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域類(lèi)型 技術(shù)手段 工作波長(zhǎng)(nm) 特點(diǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域微納介質(zhì)傳感器 光子晶體檢測(cè) 1500~1600具有光子帶隙測(cè)量透射譜便于芯片集成微流控液體、氣體測(cè)量微納金屬顆粒傳感器表面等離子體共振檢測(cè)600~1000表面檢測(cè)測(cè)量表面吸收生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量微結(jié)構(gòu)光纖傳感器 光纖檢測(cè) 1000~2000倏逝場(chǎng)損耗測(cè)量透射譜傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離探測(cè)探測(cè)狹小環(huán)境實(shí)時(shí)性測(cè)量在接下來(lái)的幾節(jié)中，，本文將根據(jù)微納光子器件檢測(cè)技術(shù)的不同對(duì)其研究狀況進(jìn)行展開(kāi)描述。

晶體折射率傳感器 (a) 點(diǎn)缺陷型[16]；(b) 線缺公司的 E Chow 團(tuán)隊(duì)[18]在二維光子晶體中計(jì)了生化折射率傳感器，實(shí)現(xiàn)了光子晶體 Wu 等人[19]介紹了在三維光子晶體的線缺的概念。第二年，美國(guó)加州大學(xué)圣地光子晶體點(diǎn)缺陷（微腔）傳感器對(duì)蛋白質(zhì)a 所示。隨后幾年，Liu Y 等人[17]利用二維
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 饒翠娟,魏俊峰;用V棱鏡折射儀測(cè)玻璃折射率控制生產(chǎn)[J];玻璃;1988年06期

2 鄧文榮;蘭慧;衛(wèi)秋霞;;光學(xué)玻璃折射率壓力系數(shù)測(cè)定方法[J];長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào);1988年04期

3 徐森祿,羊榮興,朱列偉;光纖濃度計(jì)[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);1989年04期

4 周海光,林則明,陳書(shū)潮;多原子分子材料的激光感生熱致折射率光柵[J];廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1989年04期

5 馮惠賢,溫金珂,唐燕生,王華馥,白令君;富鋰LiNbO_3∶Fe∶Mg晶體中的X射線折變[J];無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào);1989年02期

6 李芳菊;;晶體聲光衍射效應(yīng)中聲致折射率變化研究[J];渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào);2014年23期

7 董衛(wèi)斌,姚保利,門(mén)克內(nèi)木樂(lè),王英利,鄭媛,雷銘,陳國(guó)夫;菌紫質(zhì)薄膜光致折射率變化的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量[J];光子學(xué)報(bào);2005年04期

8 何偉,李劍芝,梅家純;摻鍺石英光纖光致折射率變化的實(shí)驗(yàn)研究[J];無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào);2005年01期

9 賈振紅,地里木拉提·土爾遜,李芮;光漂白引起推拉型偶氮有機(jī)聚合物折射率變化的測(cè)量[J];光電子·激光;2001年11期

10 張春平;商美茹;;透明薄膜的微小折射率變化的測(cè)量[J];光電子.激光;1985年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 王雨雷;呂志偉;何偉明;;強(qiáng)激光在非線性介質(zhì)中的自聚焦特性[A];江蘇、山東、河南、江西、黑龍江五省光學(xué)（激光）聯(lián)合學(xué)術(shù)'05年會(huì)論文集[C];2005年

2 操秀霞;周顯明;何林;孟川民;李緒海;徐亮;王媛;劉利新;;沖擊壓縮下藍(lán)寶石的光輻射特性及折射率變化行為研究[A];第十八屆中國(guó)高壓科學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議縮編文集[C];2016年

3 馬云;李澤仁;胡紹樓;李加波;汪小松;陳宏;翁繼東;劉俊;俞宇穎;宋萍;向曜民;;用作VISAR窗口的LiF晶體折射率變化修正因子[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)(2008年版)[C];2009年

4 孫小燕;胡友旺;段吉安;;飛秒激光加工光學(xué)器件研究進(jìn)展[A];2009中國(guó)功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2009年

5 趙勇;張玉艷;李星;;基于磁流體的長(zhǎng)周期光纖光柵電壓傳感器研究[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第十二屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2010年

6 宋牟平;謝杭;楊紀(jì)超;;雙層硅基馬赫-曾德?tīng)栯姽庹{(diào)制器的動(dòng)態(tài)性能[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集[C];2011年

7 趙全忠;林耿;邱建榮;;飛秒激光誘導(dǎo)透明材料折射率變化進(jìn)展(英文)[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集[C];2011年

8 江曉清;陳克堅(jiān);唐奕;楊?lèi)?ài)齡;李錫華;楊建義;王明華;;光注入全內(nèi)反射型全光開(kāi)關(guān)[A];全國(guó)第十一次光纖通信暨第十二屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議（OFCIO’2003）論文集[C];2003年

9 王子華;張輝;王榮彬;;周期性折射率變化的非線性平面光波導(dǎo)的空間光孤子傳輸[A];全國(guó)第十次光纖通信暨第十一屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議（OFCIO’2001）論文集[C];2001年

10 譚嬋源;黃耀熊;;溶液折射率與其溫度和濃度的關(guān)系研究[A];廣東省生物物理學(xué)會(huì)2013年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前8條

1 王帥;基于微納光子結(jié)構(gòu)的折射率傳感器研究[D];鄭州大學(xué);2019年

2 鄧敏;功能性高分子水凝膠的制備與性能研究[D];湖北大學(xué);2018年

3 丁金妃;光纖光柵折射率傳感技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2006年

4 鄧詩(shī)濤;變折射率介質(zhì)中的光傳輸及像質(zhì)評(píng)價(jià)[D];浙江大學(xué);2008年

5 沈驍;增益—折射率復(fù)合導(dǎo)引大模場(chǎng)光纖的設(shè)計(jì)、制備與增益特性研究[D];南京郵電大學(xué);2016年

6 賈秀麗;周期納米結(jié)構(gòu)的異常折射率和完美吸收特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

7 田振男;基于飛秒激光直寫(xiě)微光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與制備研究[D];吉林大學(xué);2017年

8 馬濤;微納結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔的生化傳感技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 吳麗君;多芯光纖拉錐的折射率傳感及分光特性研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

2 錢(qián)文華;ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO非對(duì)稱(chēng)雙量子阱中電子的帶間躍遷光吸收及折射率變化[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2018年

3 張雪峗;基于光學(xué)相干的油品色散及其補(bǔ)償研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2018年

4 李松曉;SiO_xN_y光學(xué)薄膜折射率漸變特性研究[D];西安工業(yè)大學(xué);2018年

5 鄧澤群;具有溫度補(bǔ)償?shù)男滦凸饫wSPR折射率傳感器研究[D];東北大學(xué);2015年

6 梁佩;基于反射式雙錐形光纖折射率傳感器的實(shí)驗(yàn)與研究[D];山東大學(xué);2018年

7 鄭坤杰;基于液體填充空心布拉格光纖的折射率傳感技術(shù)研究[D];曲阜師范大學(xué);2018年

8 董華卓;基于無(wú)芯側(cè)邊拋磨光纖多模干涉的高靈敏折射率傳感機(jī)制研究[D];暨南大學(xué);2017年

9 王金娣;SiO_2/SnO_2、SiO_2/TiO_2基減反膜的設(shè)計(jì)與溶膠—凝膠法制備[D];江蘇大學(xué);2018年

10 陶一飛;微納金屬結(jié)構(gòu)中局域表面等離子體共振的調(diào)控及其應(yīng)用[D];合肥工業(yè)大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2701423