基于微纳光纤激发微腔WGM的高灵敏度折射率传感器设计分析-光学工程专业论文.docx

基于微 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。 关键词：微纳光纤；微球谐振腔；微管谐振腔；回音壁模式；光纤传感器 基于微 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 Abstract In recent years, the Whispering Gallery Mode (WGM) based transmission optical micro-resonator has gradually become a hot research topic in the field of sensing. The development of preparation technology has led to an increasing number of micro-cavity types and increasingly wide application areas. Micro-resonator has advantages of small size, high sensitivity, no need of labeling, and low sample consumption, resulting in the rapid development in the field of biochemical sensing. This paper carries out design and research of high sensitivity sensor based on the micro-nano fiber excitation microcavity, which can be used for the determination of physical, chemical, and biological properties of surrounding medium. It is of great importance both for practical applications and scientific research. This paper first introduces the optical properties of the micro-nano fiber and microcavities (including the microspheres and microtubules). Theoretical models are built. The characteristics of mode field distribution in micro-nano fibers are analyzed by scalar approximation method