太赫兹连续波成像及光子晶体光纤表面等离子体共振传感研究

摘要

太赫兹波(terahertz wave，简称THz)以其独特的性质在时域光谱技术、成像技术、通信技术、监视与探测技术以及天文学等领域中具有广泛的应用前景，其中THz成像技术是THz应用技术中最有发展前景的方向之一。随着THz成像技术的发展，如何获得简单、快速、价格低廉的THz图像成为THz成像技术推广的瓶颈。我们搭建了一套THz连续波点扫描成像装置能够有效解决上述问题。　　 在传感技术中，基于光子晶体光纤表面等离子体共振(photonic-crystal-fibersurface-plasmon-resonance，PCF-SPR)传感器由于同时具备PCF的优良传输特性以及SPR的高灵敏特性非常适合用于传感。文章中选择两种结构的PCF-SPR传感器进行模拟，并利用LMA系列PCF进行实验。　　 本文的主要内容和创新点归纳如下：　　 1.搭建了一套THz连续波点扫描透射成像装置。采用逐点扫描方式进行成像，记录THz透过样品后的强度信息并绘制样品的THz透射图像。该系统不需要时间延迟装置，不需要在扫描点上暂停，使得成像速度提高了很多；配合相应的高精度二维电控平移台，可以对不同尺寸样品进行成像；还可以根据不同的需要进行不同分辨率的THz成像。此系统结构简单，操作方便，并且有快速的数据获取能力和相对较低的成本，因此具有广阔的应用前景和推广价值。　　 2.分析影响成像质量的因素，对高质量的THz连续波点扫描成像进行研究。最终选择THz波长为118.8μm，样品处光斑直径为1.8mm，电控平移台的运动步长为0.25mm，此时可以获得图像的分辨率为0.4mm，成像质量可以与THz焦平面阵列相机所成图像相媲美。利用这套系统，我们对一些有代表性的样品进行对比成像，成像效果非常理想。　　 3.对几种常见的计算PCF的方法进行介绍，重点介绍了有限元法(finiteelement method，FEM)。FEM能够配合完美匹配层(perfectly matched layer，PML)对PCF-SPR传感器进行计算。在典型结构的PCF-SPR传感器的基础上，我们设计了大孔径微流体通道的PCF-SPR传感器。此种PCF结构简单，相对易于拉制；由于增大了微流体通道的直径，有利于金属镀膜的操作以及微流体的渗入；增大了待测样品与金属层的接触面积，且界面更加靠近纤芯，易于实现等离子体模式与芯导模式的能量耦合，可以有效地测量微流体的折射率。　　 4.在空气芯光子带隙型(photonic bandgap，PBG)PCF的基础上，设计出了一种在空气芯中填充甘油的液芯PCF-SPR温度传感器。由于甘油具有较高的折射率，这种设计将PCF的传输类型由PBG型改变为全内反射型(total internalreflection，TIR)，大大拓宽了其通光范围。在一定温度范围内，甘油的折射率与温度呈线性变化，可以通过测量透射光得知甘油此时的折射率，进而可以检测此时的环境温度。这种设计充分利用了空芯PCF的大空气孔，由于只需在中心大空气孔中操作，使得镀膜和填充液体更加简单，且镀膜的均匀性更加易于掌握。　　 5.由于自行设计的PCF结构复杂往往难以拉制，在微小的纤芯空气孔中镀纳米量级的金属膜以及微流体的渗入比较困难，连续宽带相干光源难以实现等原因，目前对基于PCF-SPR传感器大多还停留在理论研究阶段。我们使用拉制技术比较成熟的NKT Photonics公司生产的LMA系列PCF进行实验研究，尝试用多种方法在PCF包层空气孔中镀金属膜，选择溴钨灯做为连续宽带光源并实现光纤耦合输出，用光谱仪探测输出连续宽带光的光谱图，效果比较明显。

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