基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

基于物镜耦合的波长-角度共同调制表面等离激元共振传感器

基于棱镜耦合的波长调制表面等离激元共振(SPR)传感器只能在长波段获得较高检测灵敏度,无法兼顾检测范围与检测灵敏度。研究了一种基于物镜耦合激发表面等离激元的波长-角度共同调制的SPR传感装置,使用物镜耦合使角度易于调节,这提高了SPR传感器在短波处的检测灵敏度,从而在较大检测范围内实现了高灵敏度折射率测量。通过理论仿真与实验,使用波长-角度共同调制的SPR传感方法对不同浓度的葡萄糖溶液的折射率进行测量,动态检测范围为4.4×10^-2 RIU,检测灵敏度达到5066.97 nm/RIU。相较于波长调制SPR传感方法,使用波长-角度共同调制的SPR传感方法在检测范围不变的情况下,检测灵敏度提高了2.5倍。该检测方法实现了对折射率高灵敏度、高动态检测范围的快速检测,可广泛应用在生物医学及食品安全等领域。     

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。     

石墨烯覆盖铝纳米光栅表面等离激元共振光谱及传感特性

表面等离激元共振技术具有无需标记、灵敏度高、实时检测等优点,已广泛应用于生物医疗、环境监测及食品安全等领域。相对于传统贵金属材料表面等离激元共振传感器而言,铝表面等离激元共振传感器具有价格低廉、共振光谱带宽小等优点,已逐渐成为了该领域的研究热点。针对铝材料存在与生物分子兼容性差、易氧化等缺点,利用石墨烯化学稳定性好、比表面积大、抗氧化能力强、生物兼容性好等独特优势,将其作为与被测分子直接接触的传感层,提出了一种石墨烯覆盖铝纳米光栅的表面等离激元共振传感器。首先,基于多物理场有限元仿真软件建立了该传感器的物理模型,分别分析了石墨烯层数和铝光栅结构参数(占空比、高度、周期)对传感器共振光谱的影响。结果表明,石墨烯与铝光栅的复合有效增强了入射光波与传感器的相互作用,采用单层石墨烯与铝光栅复合时,共振峰具有最窄的光谱带宽。当铝纳米光栅结构Λ=600 nm,H=40 nm,η=70%时,光谱反射率为零。进一步分析了结构优化后的传感器的传感特性。结果表明,单层石墨烯覆盖铝纳米光栅传感器具有最高的品质因数24.5 RIU-1,其灵敏度高达626 nm·RIU-1。该传感器具有探测精度高、分子兼容性好等优点,能为生化分析、环境监测和食品安全等领域提供一个新的绿色传感平台。     

侧边抛磨单模光纤表面等离子体传感器的设计和优化

光纤表面等离子体共振传感器具有体积小、抗电磁干扰,可以实现在线实时远距离检测的优点。为提高传感器的性能,建立了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感的物理模型,分别研究了侧边抛磨光纤的剩余厚度、银膜层的厚度对传感器的灵敏度、共振峰的深度和半高全宽等的影响。结果表明：光纤剩余厚度越小,表面等离子体共振现象越强;随银膜层的厚度增大,共振峰的宽度变宽,而传感器的灵敏度呈现非单调变化。通过综合表面等离子体共振传感器的折射率传感灵敏度和共振峰半高全宽,提出了质量因数作为传感器的优化指标,并最终得到最优化的设计方案为光纤剩余厚度为66.5 μm,银膜的厚度为50 nm,此时质量因数达到98.67。     

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研究了在三开口劈裂金属纳米环中,当入射场偏振方向不同时出现的多极局域表面等离激元共振现象及折射率传感特性。研究表明,当入射场偏振方向分别沿x 轴和y 轴时,在可见光-近红外区域分别激发起两个和三个明显的共振峰。通过改变缺口的张角,能够实现对共振峰位和强度的可控调整。共振峰位处劈裂纳米环的近场分布表明,LHA(左半弧)和DRHA(双右半弧)之间等离激元的杂化耦合是形成上述共振的原因。劈裂纳米环的多极共振非常适合折射率传感应用。当改变周围环境折射率,入射场沿x 轴偏振时,折射率敏感度的最大值可达到1365nm/RIU;入射场沿y 轴偏振时,折射率敏感度最大值可达2229nm/RIU。     

基于空气孔微结构光纤的表面等离子体共振折射率传感器北大核心CSCD

提出了一种基于表面等离子体共振(SPR)效应增强的光子晶体光纤折射率传感器。该传感器结构通过光纤熔接机拼接光子晶体光纤(PCF),在光子晶体光纤中间引入一个空气孔形成PCF-空气孔-PCF的光纤传感结构,随后使用磁控溅射镀膜工艺在其表面沉积一层薄金膜制备而成。实验探究了折射率及温度对传感器的响应。结果表明,在1.333~1.389的折射率范围内,所提出的传感器的平均折射率灵敏度为2 142.52 nm,且测量线性度为0.981,品质因子约13.10。实验结果表明该传感器对温度不敏感。相比于无空气孔的PCF传感结构,引入的空气孔增强了SPR效应,使得传感器拥有良好的共振峰深度。得益于上述优势,该类型传感器有望在生物医学、环境监测等领域得到应用。     

侧边抛磨光纤的光谱调制型表面等离子体共振传感研究

表面等离子体共振传感是基于光学消逝波与金属表面等离子体波共振的一种高灵敏度、快速、无标记的测量方式。光纤的表面等离子体共振传感具有在线测量、体积小、抗电磁干扰等优点。为提高折射率传感灵敏度,采用轮式侧边抛磨法抛磨掉多模光纤的全部包层和部分纤芯,并采用溅射法在光纤抛磨区先镀高折射率的铬层然后镀金膜,制作了侧边抛磨光纤表面等离子体共振传感器。研究结果表明:该传感器可实现液体折射率在1.333~1.431RIU范围的测试,平均光谱灵敏度为4.11×103 nm·RIU-1,在1.417~1.431RIU折射率范围内光谱灵敏度达1.09×104 nm·RIU-1,折射率测量范围和光谱灵敏度均优于已报道的结果。此外,该传感器具有良好的稳定性与重复性实验测试,最小分辨率约为3.6×10-5 RIU。该传感器光谱灵敏度高、检测范围大、尺寸小及良好的稳定性与重复性等优点,可被用于食品检测、环境监测、生物医学检测等相关领域。     

劈裂纳米环多极表面等离激元共振及折射率传感特性分析

研究了在三开口劈裂金属纳米环中,当入射场偏振方向不同时出现的多极局域表面等离激元共振现象及折射率传感特性。研究表明,当入射场偏振方向分别沿x 轴和y 轴时,在可见光-近红外区域分别激发起两个和三个明显的共振峰。通过改变缺口的张角,能够实现对共振峰位和强度的可控调整。共振峰位处劈裂纳米环的近场分布表明,LHA(左半弧)和DRHA(双右半弧)之间等离激元的杂化耦合是形成上述共振的原因。劈裂纳米环的多极共振非常适合折射率传感应用。当改变周围环境折射率,入射场沿x 轴偏振时,折射率敏感度的最大值可达到1365nm/RIU;入射场沿y 轴偏振时,折射率敏感度最大值可达2229nm/RIU。     

基于金属-介质-金属多层膜结构的空芯光纤折射率传感器

提出了一种新型的基于金属-介质-金属的多层膜结构的空芯光纤折射率传感器,通过建立光学模型计算了该传感器的传输光谱。对介质膜材料分别为二氧化硅、环烯烃聚合物和碘化银时的传感器性能进行了分析。当空芯光纤内部检测液体折射率处于不同范围时,所设计的传感器分别利用导模共振、表面等离子体共振以及波导耦合表面等离子体共振的原理进行传感。相比于传统的空芯光纤传感器,所提的传感器不仅检测范围超大(1.3~1.64,几乎覆盖了全部液体介质的折射率)而且品质因数提高了一倍。     

微孔光纤表面等离子体共振传感特性分析

设计了纤芯周围具有6个大空气孔的微孔光纤用于表面等离子体共振(SPR)传感器.利用有限元方法研究金属膜厚、微孔间距、微孔尺寸及外界环境折射率对表面等离子体共振峰所处波长的影响及传感器的灵敏度.结果显示,金属膜厚及外界环境折射率对共振峰的位置都比较敏感,而空气孔的直径和孔间距在小范围变化时谐振峰的位置基本保持不变.该传感...     

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。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器（英文）

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

基于光纤布拉格光栅与长周期光栅并联的集成光学传感器

为了提高光纤传感器的性能和进一步缩小传感器的尺寸,通过实验制备出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)与长周期光栅(LPG)并联的新型集成光学传感器。该传感器中的FBG和LPG是利用飞秒激光直写技术直接在普通单模光纤中刻写的。FBG和LPG是并联关系,因此很大程度地缩小了传感器的长度。外界的温度和折射率的变化会引起FBG和LPG的谐振峰波长位置发生变化,据此对该集成传感器进行温度和折射率测量。实验结果表明:FBG谐振峰对折射率和温度的灵敏度分别为0 nm/RIU和12.98 pm/℃,而LPG在1 555 nm附近谐振峰对折射率和温度的灵敏度为196.46 nm/RIU和10.93 pm/℃。因此,根据双参数传感矩阵,该传感器可以对温度和外界折射率进行同时传感。     

太赫兹表面等离激元共振传感器

对通过棱镜耦合的太赫兹表面等离激元共振传感器的工作特性进行了理论分析.此类器件在可见光波段工作时,在由样品折射率、金属膜层性质和厚度决定的共振角度下会出现一个反射极小峰;但工作在太赫兹频率时,表面等离激元共振现象表现为一个反射增强的尖峰,而且这一共振角度与棱镜和样品的折射率之间存在一个简单的对应关系,并不依赖于棱镜所镀...     

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.     

基于氮化钛薄膜表面等离子体共振特性的双芯光子晶体光纤温度传感器

提出一种基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器,其中双芯光子晶体光纤为折射率导光型,其中心圆孔表面镀氮化钛薄膜,内部填充具有较大热敏系数的乙醇和氯仿的混合液体,其纤芯模与表面等离子体激元耦合的共振波长偏移可反映液体混合物的温度或折射率.利用全矢量有限元法分析了不同因素对传输损耗谱及其共振波长的影响.仿真结果表明:外包层空气孔直径增大,以及最内层包层空气孔直径和空气孔间距减小可以提高耦合效率,从而增强共振峰.对比分析发现在-20℃～120℃温度范围内,氮化钛薄膜比传统金膜表现出更好的等离子传感特性,随着膜厚增加,其共振波长偏移量增加,温度灵敏度提高,灵敏度最高可以达到6.22 nm/K.     

基于氮化钛薄膜表面等离子体共振特性的双芯光子晶体光纤温度传感器（英文）

提出一种基于表面等离子体共振的双芯光子晶体光纤温度传感器,其中双芯光子晶体光纤为折射率导光型,其中心圆孔表面镀氮化钛薄膜,内部填充具有较大热敏系数的乙醇和氯仿的混合液体,其纤芯模与表面等离子体激元耦合的共振波长偏移可反映液体混合物的温度或折射率.利用全矢量有限元法分析了不同因素对传输损耗谱及其共振波长的影响.仿真结果表明:外包层空气孔直径增大,以及最内层包层空气孔直径和空气孔间距减小可以提高耦合效率,从而增强共振峰.对比分析发现在一20℃~120℃温度范围内,氮化钛薄膜比传统金膜表现出更好的等离子传感特性,随着膜厚增加,其共振波长偏移量增加,温度灵敏度提高,灵敏度最高可以达到6.22 nm/K.     

用表面等离子体共振原理检测湿度环境（英文）

采用Kretschmann结构激发表面等离子体,利用多孔陶瓷材料SiO2作感湿材料,当外界环境的相对湿度变化时,引起感湿层SiO2的折射率发生相应变化,导致表面等离子体共振角发生偏移.采用有限元法对传感系统在不同感湿层折射率下的反射谱进行了模拟分析,并根据反射谱的共振半峰宽和共振峰深度对金膜的厚度进行优化.研究结果表明:金膜的最佳厚度为55nm,反射谱的共振角偏移量与感湿层折射率变化呈线性关系,湿度检测的分辨率高达0.37%RΗ,灵敏度达到0.03°/%RH.该研究对基于表面等离子体共振原理的湿度传感器的研制与应用具有一定意义.