基于多孔硅的表面等离子共振传感特性

提出了一种基于多孔硅的表面等离子共振传感模型:棱镜-金属膜-多孔硅薄膜-待测介质。在该结构中,多孔硅的折射率会随着样品浓度的变化而变化。利用有限元分析方法,数值模拟得到该结构的共振光谱,对模型进行了分析和参数优化。以乙二醇溶液为待测样本,对提出的传感结构的传感性能进行分析,得到该传感器对乙二醇的传感灵敏度约为267.85(°)/RIU,约为Kretschmann棱镜结构灵敏度的2.13倍。     

波长调制型表面等离子体共振的传感特性研究

表面等离子体共振(SPR)光学传感器能实现生物医学的快速、 无标记、 高精度检测,是生物化学分析的重要方法。 研制了基于波长调制型的Kretschmann结构表面等离子体共振(SPR)生物传感系统,研究了在体溶液传感方式下的传感性能。 利用不同浓度的乙醇和乙二醇溶液进行体溶液传感测试。 实验结果表明,在折射率低时共振波长对折射率变化响应的灵敏度低,但响应的线性度高;随着折射率增大,共振波长对折射率的响应变化的灵敏度提高。 在1.407 0～1.430 RIU折射率范围内,灵敏度高达11 487 nm·RIU-1。 传感器的共振波长的稳定性为0.213 8 nm,可分辨最小折射率趋近10-6 RIU。 所研制的波长调制型表面等离子共振传感器操作简单、 灵敏度高、 检测范围大,可实现浓度极低生物标记物的有效检测,在化学、 生物传感领域有重要的应用。     

基于双电介质层的棱镜表面等离子共振传感的研究

为了提高表面等离子共振系统的分辨率,提出了一种五层结构的表面等离子共振效应的激励模型:棱镜基底-银膜-电介质层1-电介质层2-待测介质.采用薄膜光学和波导理论,讨论了银和双电介质层复合而成的共振薄膜对表面等离子共振效应的激励机理与调制特性的作用.借助有限元分析方法,数值模拟得到双电介质表面等离子共振激励模型的共振光谱.分析结果表明,当待测介质折射率相同时,双电介质表面等离子共振激励模型共振光谱的半峰宽约为传统棱镜表面等离子体共振的0.1倍,理论计算得到双电介质表面等离子共振激励模型的系统分辨率相较于传统棱镜表面提高了5.4倍.以乙二醇溶液为待测样本,分析得到传感器的灵敏度约为7.2°/RIU,品质因数约为465,证明了该结构设计的可行性,为设计高分辨率和高品质因数的传感系统提供了理论参考.     

费米折射率平面波导激励的差分检测型对称结构表面等离子共振传感研究

为了实现被测折射率范围可调,提高检测灵敏度,将双波长差分检测技术应用于平面波导激励的金属-介质-金属组成的对称型表面等离子体共振传感结构中.通过对对称结构的模式特性分析,研究了该结构中激发等离子体表面波时,介质厚度与被测折射率的关系及双波长差分检测的原理.采用离子交换法制备平面波导,用费米函数拟合其渐变折射率分布.用光强调制方式,分别进行单波长和双波长差分检测,对折射率为1.33~1.428之间的甘油溶液进行测试,实验结果表明,该结构可激发等离子体表面波,与传统平面波导激励的表面等离子体共振传感结构相比,通过改变被测介质的厚度可以改变共振条件,进而改变折射率的测量范围.若被测范围选择合适,检测的线性较好,采用差分检测方法比单波长检测方法的灵敏度提高近一倍.     

基于侧边抛磨光纤表面等离子体共振的折射率和温度传感研究

用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,通过磁控溅射法溅射金膜制成侧边抛磨光纤表面等离子体共振(SPR)传感器,并通过理论和实验对传感器的折射率灵敏度以及温度特性做了深入研究。结果表明表面等离子体共振波长随待测样品折射率的增大向长波长方向漂移,平均折射率灵敏度为4.1×103 nm/RIU(RIU为单位折射率),高于已报道的结果;共振波长随待测样品温度的升高向短波长方向漂移,平均温度灵敏度为0.36nm/℃,故该光纤SPR传感器具有更强抗温度漂移能力和更高的高折射率灵敏度,其在生物化学传感领域有重要的应用。     

含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构的传感特性研究

结合光子晶体的缺陷模式和表面模式特性,提出了一种含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构。该结构由周期性光子晶体、待测样本和外部空气层共同组成,将待测样本直接作为表面缺陷腔。基于光学谐振原理和表面波理论,分析了所提结构的折射率传感机理。讨论了不同吸收介质对所提结构光谱特性的影响。将石墨烯作为吸收介质时,传感结构的品质因子(Q值)明显高于将硫化锌、氧化铝和金属银作为吸收介质的情况;将样本层作为表面缺陷腔,通过光学Tamm态谐振,可实现多次全反射衰荡,使谐振光信号和待测样本充分作用,从而提高了该结构的传感灵敏度。所提结构的Q值为2097.18,灵敏度为1017.98nm/RIU。研究结果对实现待测物的高Q值和高灵敏度检测具有一定的理论参考价值。     

基于光谱解调的对称波导型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振(SPR)传感系统有角度谱、光谱、强度、相位等解调方式,其中光谱型的(SPR)传感系统因可以使用光纤导光,将传感部分独立出来,可进行远距离传感和现场检测,并能有效缩小系统的体积。对称光波导型(SOW)SPR因金属膜层两边的折射率完全相同,表面等离子体波传播距离更长,穿透深度更深,比传统的SPR系统具有更高的灵敏度和分辨率。对对称波导型(SOW)SPR进行光谱解调研究,以MgF₂-Au-MgF₂结构的SOW-SPR为传感单元,同时以光纤输出的卤素灯为光源, 搭建了一套光谱解调的SOW-SPR检测系统,以不同浓度的葡萄糖溶液对系统折射率分辨率进行测量,得到2.8×10-7 RIU的分辨率。为SOW-SPR系统小型化、现场检测以及远距离探测提出一种可能实现的手段,具有很好的应用前景。     

金属-介质-金属多层结构可调谐Fabry-Perot共振及高灵敏折射率传感

顶层透光、底层不透光的金属-介质-金属多层结构可以产生窄带完美吸收共振,用于测量介质层待测液体的折射率变化.本文通过构建Fabry-Perot共振解析模型,准确复现了该结构的响应光谱,给出了其共振波长、品质因子、半高全宽和灵敏度的解析表达式,并分析了介质层厚度对光谱的谐振波长和线宽的调谐机制,明确了其物理机理.基于8阶Fabry-Perot共振的金属-介质-金属多层结构,用于折射率传感时的品质因子及优值分别达到2162.8和1648.1 RIU–1.针对极小的折射率扰动,通过在奇异点状态叠加Fabry-Perot共振的调谐机制,提出了通过测量奇异点波长处反射系数的增加量或散射矩阵本征值的分裂量,实现对待测液体折射率的可调谐式传感的方案. Fabry-Perot模型解析结果显示,当待测液体的折射率变化为10–4 RIU时,基于8阶FabryPerot共振的金属-介质-金属多层结构的前向反射系数增加量和本征值分裂量分别达到0.319和1.1279.     

基于方形谐振器的表面等离子体波导传感器

本文利用方形谐振器与两个金属/介质/金属型波导结构耦合设计了一个亚波长的表面等离子体波导传感器,并通过有限元分析研究了此结构的传输特性。研究表明,通过谐振器耦合能有效增强共振波长的表面等离子体波的透射能力,同时减小两侧波导结构与方形谐振器之间的金属势垒层宽度可提高透射率。传感器的共振波长与介质材料的折射率之间存在着线性关系,1阶共振模的灵敏度可达1100nm/RIU。这种传感器可实现器件的小型化,在生物、工业传感领域有着很大的潜力。     

基于表面等离子体共振的新型超宽带微结构光纤传感器研究

基于表面等离子体共振的微结构光纤传感器具有高灵敏、免标记和实时监控等优点.如今,由于此类传感器广泛应用于食品安全控制、环境检测、生物分子分析物检测等诸多领域而受到大量研究.然而,目前所报道的绝大多数此类传感器只能应用于可见光或近中红外传感.因此,对可应用于中红外传感的表面等离子体共振微结构光纤传感器的研究是一项极具挑战性的工作.基于此,本文设计了一种可以工作在近红外和中红外区域的新型高灵敏表面等离子体共振微结构光纤传感器.传感器采用双芯单样品通道结构,该结构不仅可以消除相邻样品通道间的相互干扰和提高传感器的信噪比,还可以在超宽带波长范围内实现高灵敏检测.采用全矢量有限元法对其传感特性进行了系统的研究,研究结果表明:当待测样品折射率分布在1.423—1.513范围内时,传感器不仅可以在1.548—2.796μm的超宽带波长范围内进行工作,而且其平均灵敏度高达13964 nm/RIU.此外,传感器的最高波长灵敏度和折射率分辨率分别为17900 nm/RIU,5.59×10^–7 RIU.     

Fano resonance sensing based on coupled sub-wavelength dielectric grating and periodic photonic crystal

Based on the diffraction effect of sub-wavelength dielectric grating and the optical property of periodic photonic crystal, a hybrid structure of sub-wavelength grating all-dielectric multilayer thin film containing periodic photonic crystal is proposed. The transmission property of the structure is simulated by finite element method (FEM). The result shows that the discrete state generated by the sub-wavelength waveguide grating will be coupled with the continuous state generated by the photonic crystal cavity and the Fano resonance can be formed. The Fano resonance sensing model based on structural parameters and resonance wavelength are established, the influence of structural parameters on the Fano resonance spectral curve is quantitatively analyzed by numerical simulations, and the dynamic detection of the refractive index of samples is realized. The above structure can realize the optical refractive index sensing with high figure of merit (FOM) value and provide an effective theoretical reference for the formation of Fano resonance in the all-dielectric hybrid structure.     

A novel plasmonic refractive index sensor based on gold/silicon complementary grating structure

A novel complementary grating structure is proposed for plasmonic refractive index sensing due to its strong resonance at near-infrared wavelength.The reflection spectra and the electric field distributions are obtained via the finite-difference time-domain method.Numerical simulation results show that multiple surface plasmon resonance modes can be excited in this novel structure.Subsequently,one of the resonance modes shows appreciable potential in refractive index sensing due to its wide range of action with the environment of the analyte.After optimizing the grating geometric variables of the structure,the designed structure shows the stable sensing performance with a high refractive index sensitivity of 1642 nm per refractive index unit(nm/RIU)and the figure of merit of 409 RIU^-1.The promising simulation results indicate that such a sensor has a broad application prospect in biochemistry.     

带有多孔二氧化硅间隔层的导模共振光栅实现染料激光器发射增强

导模共振光栅是一种典型的平面波导共振结构,可在光栅表面或波导层内形成较强的局域电场,能增强光与物质的相互作用.本文在导模共振结构的光栅层和基底层之间,引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层,显著增强了局域电场与增益介质的接触度.结果表明,引入多孔二氧化硅后,共振产生的电场增强区域上移至激光染料层,增加了激光染料与电场的相互作用,实现了激光出射增强.本文基于时域有限差分法,对结构参数进行分析优化,研究了820 nm共振波长激发下的出射激光特性,得到了连续的激光出射,其能量阈值约为2.5 mJ/cm^2,线宽约为0.3 nm.本文提出的结构实现了对表面局域电场的有效调控,增强了激发光与增益介质的相互作用,不但可应用于激光器,还为其它发光器件的设计提供了参考.     

镀膜长周期光纤光栅的折射率传感特性

基于严格的光栅三包层模型及其色散方程,对镀膜长周期光纤光栅的折射率传感特性进行了详细的研究.研究发现,镀膜长周期光纤光栅的谐振波长随环境折射率的变化而变化,而且这种变化有一个跳跃,跳跃后的变化与跳跃前相同:如跳跃前向短波方向漂移,则跳跃后也向短波方向漂移.镀膜后,长周期光纤光栅的折射率探测范围得到拓宽,而且探测的灵敏度...     

长周期光纤光栅的折射率敏感特性

利用光波导的耦合模理论分析了长周期光纤光栅(LPFG)的折射率传感特性,给出了LPFG 的谐振波长相对于环境折射率变化时的漂移量解析表达式.对 LPFG 的折射率传感特性进行了数值模拟.结果表明:在光栅周期不变的情况下,当包层折射率小于且接近外界环境折射率时,波长的漂移量增大,且对应的模次越高、包层半径越小、包层折射率越小,波长漂移量越大,即 LPFG 对应于外界折射率传感灵敏度得到显著提高;当外界环境折射率大于包层折射率时,光栅的谐振波长将近似不变.     

Design of a coated thinly clad chalcogenide long-period fiber grating refractive index sensor based on dual-peak resonance near the phase matching turning point

A novel method for designing chalcogenide long-period fiber grating (LPFG) sensors based on the dual-peak resonance effect of the LPFG near the phase matching turning point (PMTP) is presented. Refractive index sensing in a high-refractive-index chalcogenide fiber is achieved with a coated thinly clad film. The dual-peak resonant characteristics near the PMTP and the refractive index sensing properties of the LPFG are analyzed first by the phase-matching condition of the LPFG. The effects of film parameters and cladding radius on the sensitivity of refractive index sensing are further discussed. The sensor is optimized by selecting the appropriate film parameters and cladding radius. Simulation results show that the ambient refractive index sensitivity of a dual-peak coated thinly clad chalcogenide LPFG at the PMTP can be 2400 nm/RIU, which is significantly higher than that of non-optimized gratings. It has great application potential in the field of chemical sensing and biosensors.     

Fiber-optic humidity sensor based on an air-gap long period fiber grating

In this paper, we propose a novel high-sensitivity fiber-optic humidity sensor based on a calcium chloride thin film to be coated on an air-gap long-period grating fabricated (AG-LPG) by combining the fiber side-polishing and fiber etching methods. When the surrounding refractive index of the air-gap long-period grating is changed by a change in humidity, the grating resonant wavelength is considered varied. Experimental results indicate that humidity can be detected by this sensing mechanism and has a high sensitivity of about 1.36 nm/1%RH.     

共振波长对导模共振生物传感器灵敏度的影响

导模共振生物传感器由于具有微型化、免标签、高通量和实时检测等优势被广泛研究。利用严格耦合波理论分析了该生物传感器对样品折射率和厚度的灵敏度随共振波长的变化规律。当样品厚度和共振波长一定时,其折射率灵敏度恒定;随着共振波长的增大,折射率灵敏度显著提高。当样品折射率和共振波长一定时,厚度灵敏度随着厚度的增加而降低,最后趋近于0;当共振波长增加时,厚度灵敏度明显提高,厚度测量范围增大。结果表明:选取较长的共振波长有利于样品的检测和分析。     

Design and analysis of nano-deep corrugated waveguide grating-based dual-resonant filters in visible and infra-red regions

A theoretical analysis of nano-deep corrugated long-period waveguide gratings on a SU-8 polymer-based channel waveguide with NOA61 optical epoxy coated upper- and lower cladding is presented. The transmission spectra of the gratings show strong rejection bands both at visible (at wavelength region of 450?460 nm) and infra-red (at wavelength region of 1530?1540 nm) regions when a grating period of ?68 μm with optimized grating tooth height is considered. Phase-matching graphs are studied to find the relationship between resonance wavelength and grating period. These results show that the grating parameters significantly affect the characteristics of transmission spectra as well as the resonance wavelength of the grating. Long-period waveguide grating-based band pass filter made by use of same polymer materials are also designed and analyzed. These types of waveguide grating-based filters can widely be used for visible and infra-red wavelength sensing applications.