THz检测技术及表面增强拉曼散射光子晶体光纤传感研究

摘要

THz检测技术及表面增强拉曼散射光子晶体光纤传感是现代光子学领域中的两个重要组成部分。THz成像技术将会是其它成像技术的重要补充，而THz时域光谱技术和遥感技术在大气污染检测研究中也是一重要的技术手段。
　　 表面增强拉曼散射技术自被发现以来就得到充分重视及利用，在超低浓度样品甚至是单分子检测中具有无可比拟的优势。光子晶体光纤的独特周期性阵列结构，作为表面增强拉曼散射传感器的一个新型理想平台得到迅猛发展，且进一步拓宽表面增强拉曼散射传感器的应用领域。
　　 本文的主要内容和创新点可归纳如下：
　　 1.对THz成像系统进行研究。搭建基于连续扫描的新型THz成像系统。通过记录透射光对隐藏在布料下的带孔金属板成像，分辨率可达0.7 mm。实验结果表明，该新型THz成像系统具有可行性及应用价值。
　　 2.对SERS基底结构进行设计。对不同结构、间距和大小的银纳米颗粒进行数值计算，以优化设计SERS基底。仿真表明，785 nm输入波长下，r=38 nm的银纳米球、r=50 nm的纳米棒、r=25 nm的纳米半球SERS增强效果最好；颗粒间距为0.5 nm时增强因子最大，且G纳米球>G纳米棒>G纳米半球；此外纳米球和纳米半球的增强因子随间距的增加而减小，而纳米棒没有明显的变化规律。
　　 3.设计适用于SERS的折射率引导型PCF，其结构为在纤芯周围对称排列6个大空气孔。通过数值仿真计算，表明大圆半径11μm，小圆半径1μm，圆心距20μm，包层孔半径1μm，孔间距3μm时其模场面积可达25.8μm2。
　　 4.设计适用于SERS传感的带隙型光子晶体光纤。经数值仿真计算，在输入波长为785 nm时，rcore=3.2μm，rclad=0.65μm，孔间距1.65μm的空芯PCF的带隙最宽，即传输785 nm光损耗最低，效果最好。
　　 5.对SERS光子晶体光纤传感进行实验研究。提出在光子晶体光纤的空气孔中以离子溅射方式镀银纳米膜，和将银纳米颗粒悬浮于被测溶液中，从而对样品进行超低浓度检测。为得到更好的增强效果，采用拉锥技术将带隙型光子晶体光纤包层空气孔塌陷，实现选择性填充。提出气体负压的方式将被测样品溶液快速吸入到纤芯孔。通过对砒啶、三聚氰胺样品进行检测，均取得较好的效果。