基于纳米颗粒阵列与法布里-珀罗干涉结构的超灵敏传感器设计

当前的等离激元传感主要基于表面等离极化激元和局域表面等离激元共振两种模式.然而基于表面等离极化激元的传感需要精确的入射角度及多种光学元器件的配合方能使用;而基于局域表面等离激元共振的传感由于共振线宽较宽导致其灵敏度和品质因数(figure of merit,FOM)不够高.设计了一种基于纳米颗粒/间隔层/反射层结构的具有超高灵敏度和FOM的折射率传感器.由于表面等离激元晶格模式与局域表面等离激元共振以及法布里-珀罗干涉的相互作用,器件的反射光谱具有一个超窄反射峰.利用这个反射峰实现传感,其灵敏度达到500 nm/RIU,FOM达到625.进一步分析表明,此传感器在不同结构与激发参数下都具有很好的传感灵敏度.该研究结果对高灵敏等离激元传感器设计具有重要参考意义.     

一种可见光波段气体传感器的设计与研究

为了设计一种性能优越的气体传感结构,提出一种亚波长介质光栅/电介质/金属衬底混合波导结构,基于导模共振效应,在反射光谱中形成4个窄带共振缺陷峰。选用多孔硅作为波导层,基于多孔硅的折射率可调特性,通过观察共振波长的漂移实现样本气体浓度的动态监测,分析结构的传感特性。结果表明,3个窄带共振峰的灵敏度分别为300,350,400 nm/RIU,品质因数分别可以达到120,152.2,307.7/RIU,检测精度高,皆可用于气体传感。     

新一代光纤智能传感网与关键器件基础研究进展

天津大学在973计划项目的资助下,开展了光纤传感技术相关研究.其主要内容包括设计了基于光子晶体光纤的填充银线的PCF-SPR传感器,最佳灵敏度为2 400 nm/RIU;设计了一种基于液芯光子晶体光纤的PBG-PCF温度传感器,传感器的最高分辨率为4×10³ nm/RIU;设计了基于甲苯-氯仿混合溶液填充的光子晶体光纤可调谐热敏光开关,通过改变溶液配比实现不同温度跃变点;构建了基于光微流体理论的3种结构模型,并针对模式场分布及磁场探测展开了研究;构建了基于L波断掺饵光纤放大器的光纤内腔气体传感系统,其绝对误差小于0.04%;针对传感器结构、解调光路、解调算法,设计并优化了F-P传感系统;提出了针对光纤传感网的评估鲁棒性模型,开展了梳状暗调谐光源技术和OFDR技术在光纤传感网检测方面的研究.     

基于损耗模态共振原理的生物传感器

为解决传统蛋白质检测传感器的复杂性问题,提出基于损耗模态共振原理的生物传感器设计方案.该传感器制作在机械强度较佳的玻璃基板上,通过表面溅镀金属氧化物薄膜,使感测区能抓取牛乳中的蛋白分子,经表面改质后有效提高了传感器感测灵敏度.通过对金属氧化物薄膜厚度的仿真优化,该传感器灵敏度最高可达7200 nm/RIU.与同类型其他结构的传感器相比,该传感器灵敏度较高,且加工容易,成本更低,有利于传感器的量产及应用.     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

基于高阶模干涉的双参量同时测量传感器的实验研究

提出一种单模-多模-单模(SMS)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的传感结构,利用了多模光纤内的高阶模干涉原理实现传感测量.本文采用了同长度芯径分别为50μm和60μm的多模光纤.实验结果显示,在SMS结构中,芯径50 μm和60μm的温度灵敏度分别为0.095nm/℃和0.127nm/℃,采用大芯径多模光纤略有提高SMS结构的温度灵敏度;折射率灵敏度分别为61.96nm/RIU和128.11nm/RIU,采用大芯径多模光纤大大提高了SMS结构的折射率灵敏度,该传感器能够用于温度和折射率的同时测量.     

高精度全聚合物 MZI 波导传感器

为解决基于有机衬底的传统光波导传感器灵敏度低的问题, 提出了基于聚合物材料的高灵敏度 MZI (Mach-Zehnder Interferometer)波导的传感器结构, 从理论上设计了对称形 MZI 和非对称形 MZI 的高灵敏度波导 传感器结构。 得到对称型 MZI 形波导传感器折射率在 1. 34 ~1. 36、 1. 36 ~1. 38 和 1. 38 ~1. 40 区间内灵敏度分 别为1 850. 76 dB/ RIU、 1995. 09 dB/ RIU 和1 547. 30 dB/ RIU。 圆弧型非对称型 MZI 波导传感器折射率在1. 33 ~ 1. 35、 1. 35 ~1. 38 和1. 38 ~1. 40 区间内灵敏度分别为1 719. 23 dB/ RIU、 1 251. 68 dB/ RIU 和2 065. 22 dB/ RIU。 对这两种传感器结构, 通过多个波导传感器相集成的设计, 可实现材料在折射率 1. 33 ~1. 40 区间内的高灵敏度传感。     

湿腐蚀法制备U形塑料光纤折射率传感器

为提升折射率测量灵敏度、方便测量,通过湿腐蚀法制备了高灵敏度的U形塑料光纤折射率传感器.从理论上分析了多模塑料光纤宏弯曲折射率传感器的原理,利用射线法对塑料光纤中传输光场进行近似,获得多模塑料光纤宏弯曲模式损耗的表达式.采用丙酮和甲醇混合溶液作为腐蚀剂,利用湿腐蚀法对塑料光纤进行处理,观察不同腐蚀剂浓度腐蚀后光纤表面形貌,得到最佳腐蚀剂浓度为丙酮浓度80％.采用热定型法对腐蚀后的光纤进行宏弯曲处理,通过改变光纤芯径及弯曲半径优化传感器性能.利用655 nm红光激光器作为光源对其灵敏度进行测试,在1.30 ～1.45的较大折射率范围内,得到最佳灵敏度为618％/RIU(RIU为折射率单位).实验结果证明,通过宏弯曲处理可以使传感器灵敏度得到提升,并且U形探头使测量更加方便,可以广泛应用于折射率传感领域.     

基于实芯光子晶体光纤的本征型法布里-珀罗温度传感器

本文提出一种基于实芯光子晶体光纤(Photonics Crystal Fiber,PCF)的本征型法布里-珀罗干涉(Intrinsic Fabry-Perot Interferometer,IFPI)温度传感器。该传感器仅需两次电弧熔接即可制备而成。对不同腔长的传感器进行了温度传感实验,实验结果表明,在20~90℃的温度变化范围内,传感器具有较好的温度灵敏度,且在一定长度范围内,F-P腔长越长,灵敏度越高,最高可达16.34 pm/℃。因此,该传感器具有制作简单、结构稳定、灵敏度高等优点,可用于不同场合的温度传感领域。     

方形劈裂环-方形环结构中磁法诺共振的产生及操控

基于有限元方法(finite element method,FEM)和等离激元杂化理论(plasmon hybridization theory,PHT)模拟并分析了方形劈裂环-方形环(square spilt ring-square ring,SSR-SR)在可见光区域内的光学特性。结果表明:方形外劈裂环的亮态模式与方形内环的暗态模式相耦合,导致SSR-SR结构获得磁法诺共振,并且法诺线形可以通过改变结构的几何参数进行调控。SSR-SR结构对周围环境折射率非常敏感,计算结果显示该结构的折射率敏感度和品质因子(figure of merit,FOM)分别为1 650nm/RIU和26.02。     

超材料吸波体的高灵敏度微波传感器

超材料吸波体具有超薄和强谐振等特点,可用于高灵敏度传感。设计了微波段可用于检测介质折射率的超材料吸波体传感器,通过仿真设计和参数优化,得到了工作频段内单频点谐振、高吸收的吸波结构,分析了其吸波机理。吸波体表面加盖不同折射率的介质板,会导致谐振吸收频点发生不同幅度的频移,经分析,当介质板厚度大于2mm时,谐振吸收频点偏移仅与待测板折射率有关。通过对仿真数据进行拟合,得到了谐振频率与折射率之间的线性函数关系并分析了传感器的性能,最后实验验证了二者的函数关系。设计的超材料吸波体传感器灵敏度达到了1 592MHz/RIU,FoM值达到7.026 9/RIU。     

ZnO/36°YX-LiTaO3结构的Love波免疫传感器灵敏度研究

对于ZnO/36°YX-LiTaO3结构的Love波免疫传感器,免疫传感实验的结果表明,不同的波导层厚度,免疫传感的灵敏度不同.同时,存在最佳ZnO波导层厚度,使得Love波免疫传感器的灵敏度达到最高.本文根据多层薄膜中弹性波传播理论,运用部分波求解方法,对ZnO/36.YX-LiTaO3结构的Love波器件的相速度及...     

新型光子晶体光纤传感器的基础研究

光子晶体光纤因其独特的光学特性、结构可灵活设计的优点以及对空气孔中填充的材料参量变化敏感的特点而成为近几年来传感领域的研究热点。该课题对填充金属纳米材料、气体、液体等材料的光子晶体光纤的光谱特性、温度传感特性及光子晶体光纤光栅的成栅机理进行了深入的研究,得到了一些很有价值的结论,为基于PCF的传感器的实现与应用及进一步拓宽光纤的原有领域奠定了良好的基础。(1)设计了一种有源PCF-SPR传感器,其特点是将有源内腔检测技术与表面等离子共振相结合,利用一根包层气孔充入金属纳米线溶液纤芯掺杂激活介质的光子晶体光纤实现探测激光产生、信息传感及光信号传输集一体的有源传感,并且由于纤芯的折射率可达到1.58,从而也拓宽了PCF-SPR传感器的探测范围。(2)针对在PCF气孔镀金属纳米膜的工艺较难的情况,实验上采用填充Ag纳米线悬浮液的方法实现了PCF-SPR温度传感,实验结果与仿真结果变化趋势一致,此方案可保持PCF用于表面等离子共振传感器的某些优点又简化了工艺操作。(3)设计了一种聚合物光子晶体光纤用于表面等离子共振传感器,这种光纤采用聚甲基丙烯酸甲酯制作,金属膜只需镀在光纤的外部,方便操作。仿真模拟结果表明,聚合物PCF半径、中心空气孔数量及空气孔的直径对波长灵敏度的影响很小,这样降低了对PCF制作的精密度的要求,有利于PCF的实际制作。(4)研究了一种基于混合液体填充的反射式光子晶体光纤温度传感探头,这种结构使得传感部分可以方便的伸入待测环境,相对于透射式传感装置而言,该种反射装置具有更为灵活实用的优点。实验结果表明,该种光子晶体光纤温度传感器可以在特定温度范围内呈现线性响应,其温度灵敏度约为1 d B/°C。此外,根据不同的溶液配比,该种传感器呈现可调谐的温度灵敏区间。(5)对由光子晶体光纤光栅组成的新型生物传感器特性进行了研究,重点对光纤结构参数(空气孔直径和孔间距)、光栅参数(光栅周期和周期个数)、塌缩程度和塌缩方式对谐振波长的影响进行了分析,研究结果表明,随着空气孔直径的增大、孔间距的减小、光栅周期的增大和塌缩程度的减小,其谐振波长向短波方向发生漂移,随着周期个数的增大,其谐振波长未发生明显漂移。     

基于细芯光纤和球形结构的干涉型光纤传感器

设计制作了一种基于细芯光纤(Thin-core Fiber,TCF)和球形结构的干涉型光纤传感器.将一根单模光纤和一根细芯光纤熔接,然后在另一条单模光纤上制作球形结构,再与该细芯光纤熔接,制成传感单元.利用纤芯模和包层模的干涉,实现了对温度和压力的传感.实验结果表明,两个干涉谷Dip1和Dip2的温度灵敏度分别为0.056 1 nm/℃和0.054 2 nm/℃,压力敏感度分别为0.041 8 nm/N,0.030 6 nm/N.由于两个干涉谷的温度、压力灵敏度分别不同,所以可以利用敏感矩阵实现温度、压力双参量的同时测量。     

基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器

针对扭转角度的精确测量问题,提出一种基于保偏光子晶体光纤的长尾式光纤环镜角度传感器.采用对温度不敏感的保偏光子晶体光纤作为扭转角度的传感单元,当保偏光子晶体光纤被旋转一定角度时,其双折射值会发生改变,进而影响光在环镜系统内的干涉情况,最终表现为光谱仪上干涉谱的移动.理论推导出系统的传感规律后,实验测得该传感器在扭转角度为0°~101°的范围内,灵敏度为0.061 7 nm/(°);若光谱仪分辨率为0.01 nm,则系统最小分辨力为0.16°,并具有超低的温度灵敏度-0.6 pm/℃.该角度传感器具有体积小、成本低、对温度不敏感及可用于远距离传输等优点.     

微纳光纤-金膜-氟化镁结构的光纤SPR温度传感器研究

为了提高光纤表面等离子共振温度传感器检测的适用条件，减少传感器对待测传感参量折射率的限制，避免引入对温度敏感的低折射率媒介，本文中将具有大倏逝场的微纳光纤放置于蒸镀金属膜的氟化镁衬底上，得到光纤表面等离子共振温度传感器结构。结果表明：通过使用传输矩阵的理论模型计算该结构中光纤折射率和氟化镁折射率变化对透射率影响，结合光纤和氟化镁的热光系数，分别得到约118、35 pm/℃的温度灵敏度，在光纤折射率增大对透射谱产生蓝移和氟化镁折射率增大对透射谱产生红移的共同作用下，该传感结构综合得到约153 pm/℃的传感器灵敏度。通过计算明确金膜厚度、光纤直径和光纤-金膜接触区宽度等不同的结构参量对透射率的影响。     

基于亚波长金属耦合腔光栅的太赫兹传感器

提出一种亚波长金属耦合腔光栅结构的太赫兹传感器。采用亚波长矩形腔结构单元,设计了谐振腔级联耦合的金属亚波长光栅。利用谐振腔与光栅导模共振的相干耦合作用,产生高品质因数的类电磁诱导透明模,形成腔诱导太赫兹波异常反射现象。异常反射模表现出显著的局域场共振增强效应,大大提升太赫兹波对分析物的感测能力。数值仿真表明,太赫兹波正入射的传感灵敏度可达到6-22THz/RIU,品质优值可高达55-152,同时具有宽达50°工作角的太赫兹感测能力,可适应大孔径角太赫兹波束的传感操作。     

基于微纳光纤耦合器的折射率传感研究

目前一些超细直径的微纳光纤耦合器虽具有极高的灵敏度，然而极细的直径亦使得这些光纤耦合器非常脆弱，使得在传感应用中可能会产生一些问题：很难将这种耦合器从实验制造平台转移到微流控生物传感器中；易受环境影响而不够稳定。为了解决上述问题，分别从实验和理论上研究一种直径为6.25μm的微纳光纤耦合器，这种光学耦合器在外部折射率(refractive index, RI)为1.339 8时能达到-1 753 nm/RIU的高折射率灵敏度。基于有限元分析方法(finite element method, FEM),计算出偶/奇模的有效折射率和折射率灵敏度并与实验测试结果比对。本文制作的光纤耦合器可以很好地运用在光纤微流控生物传感等其他实验室芯片上的多功能传感中，有良好的实用前景。     

磁流体光子晶体微腔的磁场响应特性

提出了基于磁流体光子晶体的微腔,并对其形成过程进行了理论解释,进而研究了该微腔的传感特性,计算了其光透射特性.分析了薄膜厚度分别为6μm和0.94μm时磁流体光子晶体微腔的磁场响应特性.研究结果表明,随着外加磁场增加,这两种结构的光子晶体谐振峰中心波长分别蓝移了4.130μm和0.076μm;磁场响应的最大灵敏度分别为243 nm/m T和3.8 nm/m T.这种基于微腔的传感系统具有易调谐、制备简单,且灵敏度高等优点,为胶体光子晶体在传感领域的应用提供了新的思路.     

纳米银局域表面等离激元共振——环境传感、分子识别及光物质相互作用增强

基于利用磁控溅射方法制备的纳米银颗粒,研究了纳米银颗粒局域表面等离激元对介质环境的敏感程度,作为媒介提高光与物质相互作用的可能性.研究结果表明:传感灵敏度最大可达到约931 nm/RIU,石墨烯拉曼信号可提高约40倍,可见光吸收提高约10倍.该研究表明制备简单、光学响应灵敏的纳米银颗粒在传感、光电探测及分子识别等领域具有潜在的应用价值.