【摘要】：微納光子結構由于結構緊湊、尺寸接近光波長,因此對周圍環(huán)境極其敏感,具有超高檢測性能,而且可用于光子集成以及微流控系統(tǒng),構建片上實驗室,實現(xiàn)生化檢測的微型化、智能化和家庭化。近些年,隨著微納加工工藝的提高,各種微納光子結構得以實現(xiàn),為設計更高性能的折射率傳感器提供了技術支撐。很多研究機構將設計生物化學傳感器的工作集中在研發(fā)新型光子結構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構傳感器在設計、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,本文分別針對介質結構、金屬結構和微結構光纖傳感器目前存在的問題,設計了工作波段在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構的光學性質、檢測原理、傳感性能和制造方法等方面。本文的工作主要體現(xiàn)在以下幾個方面:針對光子晶體傳感器需要人為引入缺陷模式導致設計復雜的問題,利用光子準晶的天然缺陷模式設計了十重光子準晶折射率傳感器,實驗上成功研制出不同結構的十重光子準晶。首先,采用傘狀五束光干涉模型理論上設計了二維十重光子準晶結構,通過改變光束的曝光閾值得到了不同結構的光子準晶。在此基礎上,通過缺陷模光譜監(jiān)測方法構建了工作在通信波段的折射率傳感器,調整準晶介質柱半徑及傳感單元尺寸優(yōu)化了傳感器靈敏度,最終設計出分辨率為221 nm/RIU、品質因數(shù)為1478、傳感單元僅為18μm×4μm的傳感器結構。實驗上搭建了無頂五棱鏡多光束共光路干涉裝置,通過改變光束強度、曝光時間和光束均勻度設計并大面積制備了不同結構的十重光子準晶。利用金屬微納結構局域表面等離子體共振(Local Surface Plasmon resonance,LSPR)效應,在近可見光波段構建了金納米環(huán)陣列LSPR折射率傳感器。針對隨機分布金納米環(huán)易缺失和堆疊的不足,基于金屬顆粒二聚體增強LSPR的機理提出了金納米環(huán)陣列傳感器的設想。利用有限元法對該結構的電磁場分布和消光光譜進行了分析,并且對金納米環(huán)的尺寸、晶格常數(shù)以及入射角度對消光效率的影響進行了研究。單個金納米環(huán)的局域表面等離子體電場分布類似于一對電偶極子,而金納米環(huán)陣列由于金屬顆粒二聚體效應又有效增強了該電場強度,從而提高了該傳感器的品質因數(shù)。該等離子體共振傳感器在識別生物分子結合事件方面具有較大潛力。鑒于光纖傳感器在狹小環(huán)境中的探測優(yōu)勢,在2000nm附近設計了兩種PCF SPR折射率傳感器。首先,為進一步增強SPR共振強度,利用SPR對偏振方向的敏感性設計了D型高雙折射光子晶體光纖SPR傳感器。對纖芯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共振的影響進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)高雙折射結構可有效增強SPR強度,利用低折射率光纖材料可以提高傳感器靈敏度,將二者結合可在增強靈敏度的同時提高傳感器的品質因數(shù)。其次,在提高光纖等離子體共振的同時,為解決大模場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。利用雙芯結構在有效擴大模場面積的同時保證了光纖較低的限制損耗和單模特性,從而提高了檢測穩(wěn)定性,擴大了測量范圍。在實驗上,利用空心玻璃管堆疊、預制棒熔縮及高溫拉制的方法制備了不同結構的PCF,并對它們的橫截面微納結構、彎曲損耗、截止波長等光學特性進行了測量。
【圖文】：

圖 1.1 基于不同檢測技術的微納光子結構(a) 基于光子晶體技術的微納介質結構；(b) 基于 SPR 技術的微納金屬結構；(c)基于光纖技術的微結構光纖表 1.1 微納光子結構傳感器的應用領域類型 技術手段 工作波長(nm) 特點 應用領域微納介質傳感器 光子晶體檢測 1500~1600具有光子帶隙測量透射譜便于芯片集成微流控液體、氣體測量微納金屬顆粒傳感器表面等離子體共振檢測600~1000表面檢測測量表面吸收生物醫(yī)學檢測現(xiàn)場測量微結構光纖傳感器 光纖檢測 1000~2000倏逝場損耗測量透射譜傳輸距離遠遠距離探測探測狹小環(huán)境實時性測量在接下來的幾節(jié)中，，本文將根據(jù)微納光子器件檢測技術的不同對其研究狀況進行展開描述。

晶體折射率傳感器 (a) 點缺陷型[16]；(b) 線缺公司的 E Chow 團隊[18]在二維光子晶體中計了生化折射率傳感器，實現(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，美國加州大學圣地光子晶體點缺陷（微腔）傳感器對蛋白質a 所示。隨后幾年，Liu Y 等人[17]利用二維
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 饒翠娟,魏俊峰;用V棱鏡折射儀測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;;光學玻璃折射率壓力系數(shù)測定方法[J];長春光學精密機械學院學報;1988年04期

3 徐森祿,羊榮興,朱列偉;光纖濃度計[J];傳感技術學報;1989年04期

4 周海光,林則明,陳書潮;多原子分子材料的激光感生熱致折射率光柵[J];廈門大學學報(自然科學版);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];無機材料學報;1989年02期

6 李芳菊;;晶體聲光衍射效應中聲致折射率變化研究[J];渭南師范學院學報;2014年23期

7 董衛(wèi)斌,姚保利,門克內木樂,王英利,鄭媛,雷銘,陳國夫;菌紫質薄膜光致折射率變化的理論計算和實驗測量[J];光子學報;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驗研究[J];無機材料學報;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聚合物折射率變化的測量[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量[J];光電子.激光;1985年03期

相關會議論文 前10條

1 王雨雷;呂志偉;何偉明;;強激光在非線性介質中的自聚焦特性[A];江蘇、山東、河南、江西、黑龍江五省光學（激光）聯(lián)合學術'05年會論文集[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];第十八屆中國高壓科學學術會議縮編文集[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];中國工程物理研究院科技年報(2008年版)[C];2009年

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

5 趙勇;張玉艷;李星;;基于磁流體的長周期光纖光柵電壓傳感器研究[A];中國儀器儀表學會第十二屆青年學術會議論文集[C];2010年

6 宋牟平;謝杭;楊紀超;;雙層硅基馬赫-曾德爾電光調制器的動態(tài)性能[A];中國光學學會2011年學術大會摘要集[C];2011年

7 趙全忠;林耿;邱建榮;;飛秒激光誘導透明材料折射率變化進展(英文)[A];中國光學學會2011年學術大會摘要集[C];2011年

8 江曉清;陳克堅;唐奕;楊愛齡;李錫華;楊建義;王明華;;光注入全內反射型全光開關[A];全國第十一次光纖通信暨第十二屆集成光學學術會議（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的空間光孤子傳輸[A];全國第十次光纖通信暨第十一屆集成光學學術會議（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系研究[A];廣東省生物物理學會2013年學術研討會論文集[C];2013年

相關博士學位論文 前8條

1 王帥;基于微納光子結構的折射率傳感器研究[D];鄭州大學;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;2018年

3 丁金妃;光纖光柵折射率傳感技術研究[D];浙江大學;2006年

4 鄧詩濤;變折射率介質中的光傳輸及像質評價[D];浙江大學;2008年

5 沈驍;增益—折射率復合導引大模場光纖的設計、制備與增益特性研究[D];南京郵電大學;2016年

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

7 田振男;基于飛秒激光直寫微光學元件的設計與制備研究[D];吉林大學;2017年

8 馬濤;微納結構光學諧振腔的生化傳感技術研究[D];北京郵電大學;2017年

相關碩士學位論文 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;2018年

2 錢文華;ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO非對稱雙量子阱中電子的帶間躍遷光吸收及折射率變化[D];內蒙古大學;2018年

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

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

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

6 梁佩;基于反射式雙錐形光纖折射率傳感器的實驗與研究[D];山東大學;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研究[D];曲阜師范大學;2018年

8 董華卓;基于無芯側邊拋磨光纖多模干涉的高靈敏折射率傳感機制研究[D];暨南大學;2017年

9 王金娣;SiO_2/SnO_2、SiO_2/TiO_2基減反膜的設計與溶膠—凝膠法制備[D];江蘇大學;2018年

10 陶一飛;微納金屬結構中局域表面等離子體共振的調控及其應用[D];合肥工業(yè)大學;2017年

本文編號：2701423