高品质因子光栅折射率传感器技术研究

作     者：蒋举鑫 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王琦

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光栅折射率传感器 表面等离激元共振 准连续域束缚态 温度自补偿 等离激元 

摘      要：光学折射率传感器因具有快速响应，不需标记的优点已成为折射率检测领域的重要研究器件。然而，目前对于光学折射率传感器的设计大多是面向灵敏度的提升，而忽略了半峰宽这一重要指标，导致传感器的品质因子普遍较低。针对该问题，本文根据纳米阵列结构能引入异常的光学现象，从而抑制辐射损耗，降低半峰宽这一特点，以结构简单的纳米光栅为基础，从理论推导，结构设计，材料选择，状态激发出发构建了一种能激发表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)的正弦型金属光栅传感器和能激发准连续域束缚态(QuasiBoundStatesintheContinuum,q-BIC)的不对称型介质光栅传感器。并通过建立数值仿真模型，搭建实验分析系统测试了它们的传感能力，实现了半峰宽的降低，获得了较高的品质因子。另外，还介绍了一种利用剥离商业光盘来制备金属光栅SPR传感器的方法，解决了传统制作方法成本较高的问题。本研究的主要研究内容如下: (1)通过分析目前光栅在传感领域的研究应用现状，提出了一种正弦型金属光栅和不对称型介质光栅传感器用于获得较高的品质因子。 (2)分析了金属光栅和介质光栅的基本理论，理清了共振状态的激发原理;介绍了常见的用于光栅分析的数值分析方法和衡量传感器性能的指标，为后续传感器的设计，优化以及性能的比较奠定了基础。 (3)从结构设计和材料选择入手，构建了一种能激发SPR的正弦型金属光栅结构;利用有限元法分析总结了结构参数对传感性能的影响规律;分析并比较了400nm-1000nm波段下光栅SPR和棱镜SPR传感器的折射率传感特性，证明设计的传感器的半峰宽得到了明显的降低，品质因子得到了显著的提高，不仅表现出更好的精确检测折射率微小变化的能力，还表现出了很高的设计自由度。 (4)介绍了一种剥离商业光盘(BD-R,CD-R,DVD-R)制作并封装光栅SPR传感器的方法;搭建了一套完整的光学传感分析系统;测试了各种商业光盘光栅的光谱特性，并进行了折射率传感实验分析了它们的折射率传感特性，发现DVD-R光栅具有更好的传感性能，其半峰宽为26.3nm,品质因子高达32.9RIU-1。 (5)为进一步解决传感器的半峰宽较宽，品质因子较低的问题，创新性的设计了一种能够激发极窄q-BIC共振峰，并具有温度自补偿功能的介质不对称光栅折射率传感器。根据电磁场分布分析了q-BIC共振峰的激发原因;利用有限元分析法分析了结构参数对光谱特性的影响，并总结了影响规律;分析了传感器的折射率传感特性以及温度自补偿特性，证明该传感器拥有极高的品质因子和很高的检测精度;根据现有的微纳加工技术拟定了一套传感芯片的制备方案，并分析了制造公差的影响，证明了该传感器制作的可行性。 本研究在综述了光栅折射率传感器研究的基础上，对光栅折射率传感器进行了结构设计、数值仿真研究、传感器的制作、光学传感分析系统的搭建和折射传感实验，最终获得了高品质因子的传感器，实现了折射率的低检测限检测。