基于微纳光纤激发微腔WGM的高灵敏度折射率传感器设计研究

摘要

近年来,利用回音壁模式(WGM)传输的光学微型谐振腔逐渐成为传感领域的研究热点。随着制备工艺技术的发展,微型谐振腔的种类越来越多,应用领域也越来越广。微型谐振腔具有体积小、灵敏度高、无需标记、样品消耗量低等优点,因而在生物化学传感领域迅速发展起来。本文开展了基于微纳光纤激发微腔WGM的高灵敏度传感器设计研究,这类传感器可用于物理、生物化学中物质的检测,对科研及实际应用具有重要的意义。
　　本文探求了微纳光纤及微腔(包括微球及微管)的光学特性。构建理论分析模型,分别用标量近似法及矢量法求解微纳光纤的模场表达式,以基模为例探讨了微纳光纤参数与其模场分布的关系。同时对微腔WGM的模场表达式进行了详细推导,利用边界连续条件推导WGM中最重要的参数——谐振波长的特征方程,并对WGM的模场特性进行了详细的分析,重点分析了微管的厚度、管芯折射率等对WGM模场分布的影响等。
　　构建微纳光纤激发微球谐振腔WGM的理论模型,微纳光纤中的光通过倏逝场耦合进入到微球。讨论不同参数如微纳光纤的半径、折射率;微球的半径、折射率及两者之间的垂直间距对耦合效果的影响。对微球的表面折射率传感灵敏度特性进行理论分析及仿真,微球表面介质折射率的改变使得微球WGM的电场分布发生改变,最终表现在微球的谐振峰波长的漂移,则可通过计算WGM的谐振峰波长量来测量表面折射率的改变,最终得到波长漂移与吸附介质折射率之间的关系。
　　建立微纳光纤激发微管谐振腔WGM的理论模型,讨论不同参数对激发微管WGM的影响。研究微管WGM传感器常见的三种传感方式的灵敏度特性,包括表面吸附传感、分子薄膜传感及体折射率传感,重点分析体折射率传感方式的灵敏度特性。以体折射传感方式为例设计出两种不同传感机制的高灵敏度的微流体折射率传感器,并分析了温度、压力等外界环境因素对传感器的灵敏度的影响。

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第1章 绪论

1.1光学微型谐振腔发展概述

1.2微球及微管谐振腔传感器发展现状

1.3本课题研究的目的及意义

1.4本论文研究的主要工作

第2章 微纳光纤及微腔光学特性研究

2.1微纳光纤特性研究

2.2微腔的WGM分析

2.3本章小结

第3章 微纳光纤与微球耦合特性研究及折射率灵敏度分析

3.1微纳光纤与微球耦合特性研究

3.2参数选择

3.3微球表面折射率传感特性

3.4本章小结

第4章 基于微纳光纤激发微管WGM的模型分析

4.1耦合模型的建立与分析

4.2不同参数对耦合效果的影响

4.3微管WGM的两种传感机制

4.4 本章小结

第5章 基于微纳光纤激发微管WGM传感器设计

5.1表面吸附灵敏度分析

5.2分子薄膜灵敏度分析

5.3微流体折射率传感器灵敏度分析及设计

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢