课题基金 / 基金详情

基于Bloch表面波的折射率传感器性能调控与机理研究

批准号:
62105132
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
马季
依托单位:
学科分类:
微纳光子学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
马季

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
光学折射率传感器在医学、环境监测、食品安全、国防工业等领域具有重要应用价值,是微量生化组分实时、免标记检测中的主流技术。由复合光子晶体结构激发的Bloch表面波具有高品质因子、强场局域、双偏振激发等优势,将其作为折射率传感器探测信号势必会大幅提升折射率传感器之传感性能。本项目拟开展基于光栅耦合一维光子晶体结构激发的Bloch表面波折射率传感器的性能调控与机理研究,旨在为高性能、小型化、低吸收的折射率传感器的设计和制备提供帮助。利用Bloch波展开法求解传感器界面阻抗,利用严格耦合波分析法求解探测信号反射谱,根据它们的对应关系揭示Bloch表面波的激发条件与机理。再根据Bloch表面波激发条件探究Bloch表面波品质因子和传感器灵敏度的主次要影响因素,分析出对品质因子和灵敏度响应差异较大的变量(理想变量)用于折射率传感器的性能调控,通过调节理想变量给出提升折射率传感器性能的基本设计准则。
英文摘要
Optical refractive index sensor has important application value in medical science, environmental monitoring, food safety, national defense industry and other fields. It is the mainstream technology in real-time, label free detection of micro biochemical components. Bloch surface wave excited by composite photonic crystal structure has the advantages of high-quality factor, strong field localization and dual polarization excitation. Using Bloch surface wave as the detection signal of refractive index sensor will greatly improve the sensing performance of refractive index sensor. This project intends to carry out the performance control and mechanism research of Bloch surface wave refractive index sensor based on grating coupled one-dimensional photonic crystal structure excitation, the purpose is to provide help for the design and fabrication of high performance, miniaturization and low absorption refractive index sensor. The Bloch wave expansion method is used to solve the interface impedance of the sensor, and the rigorous coupled wave analysis method is used to solve the reflection spectrum of the detection signal. According to the corresponding relationship, the excitation condition and mechanism of Bloch surface wave are revealed. Then, according to the excitation conditions of Bloch surface wave, the main and secondary factors of Bloch surface wave quality factor and sensor sensitivity are studied. The variables (ideal variables) with great difference in response to quality factor and sensitivity are analyzed for the performance control of refractive index sensor. By adjusting the ideal variables, the basic design criteria to improve the performance of the refractive index sensor are given.
随着医学诊断、环境监测、食品安全、国防工业等领域的快速发展,人们对低浓度微量生化组分检测的需求越来越高,快速、高灵敏度、高稳定性的传感器成为研究人员共同追求的目标。光学传感技术是人们普遍使用的主流技术之一,其中光学折射率传感器具有免标记、准确率高、抗电磁干扰、响应速度快和可成像等优点,非常契合生化传感应用中实时和无标记检测的技术需求。在本项目研究中,我们从最基本的Bloch表面波的激发条件及其光学特性出发,根据Bloch表面波的激发条件和光学特性分析Bloch表面波品质因子和灵敏度的影响因素。最后,得到高性能折射率传感器的基本设计准则。.首先,利用Bloch波展开法给出了传折射率传感器结构与待测样本交界面的界面阻抗,计算得到界面阻抗随探测波长或入射角度的变化关系。利用传输矩阵法、严格耦合波分析法、有限元法等模拟计算了折射率传感器的反射谱和场分布判断Bloch表面波的激发。根据界面阻抗与耦合结构反射谱的对应关系我们得到了Bloch表面波的激发条件和激发机制。然后,从Bloch表面波激发条件入手探探明了系统参数(结构参数、探测信号参数)对Bloch表面波光学特性(共振波长、共振角度、品质因子、穿透深度等)的影响,详细讨论了Bloch表面波品质因子的影响因素。结合Bloch表面波激发条件和传感器灵敏度定义给出传感器灵敏度表达式,进而得到传感器灵敏度的主次要影响因素。最后,计算了Bloch表面波品质因子和传感器灵敏度随它们的主次要影响因素的变化,分析这些影响因素间的关系,得到折射率传感器性能调控的理想变量。在此基础上得到传感性能高达FOM=11050RIU^(-1)的折射率传感器,并将该设计准则应用于具有特定功能的光学折射率传感器。
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