契形结构光纤表面等离子体共振传感器研究

提出了一种契形端面结构的光纤表面等离子体共振(SPR)传感器激励模型. 采用时域有限差分法对契形SPR波导的共振模型进行数值模拟, 通过在光纤出射端抛磨契形角度并进行敏感膜修饰, 制出具有契形端面结构的类Kretschmann微棱镜式光纤SPR传感器, 实现激发SPR的光波调制.结果表明, 在1.3330–1.4215折射率范围内, 制备的契形光纤SPR传感器相对于常规光纤SPR传感器, 其平均灵敏度提高了近1–6倍, 1倍和6倍分别出现在小角度结构(15° 契形) 传感器和大角度结构(60°契形) 传感器, 且仍保持 10^-5 等级的分辨率. 该类型结构的传感器具有契形端面激励模式, 设计灵活性高、制备工艺简单、可微量检测样本等优点, 能够很好地适应于不同环境和测量条件的实际生化检测、环境监测需求. 关键词： 光纤传感器 表面等离子体共振 契形端面结构 折射率灵敏度     

纳米金表面修饰与表面等离子体共振传感器的相互作用研究

为了分析纳米金表面修饰对表面等离子体共振(SPR)的放大作用,以及其对传感器本身的影响,首先,基于色散介质的吸收理论,通过建立波长型SPR生物传感器四层膜结构的数学模型,理论分析了传感器表面所吸附纳米金对传感器的影响:纳米金的表面修饰,改变了表面等离子体传感器中棱镜表面各介质层内电磁场的能量分布,削弱了金属膜在共振吸收中的作用,从而使SPR曲线的半波宽度增加,最小反射系数增大,金膜的最优膜厚度也随之改变.其次,通过不同厚度的金膜外吸附纳米金的对比试验,验证了此理论.金膜厚45nm、表面修饰10nm纳米金颗 关键词： 表面等离子体共振 生物传感器 纳米金 金属膜     

复合金属光栅模式分离与高性能气体传感器应用

为实现近红外波段表面等离子体共振(SPR)模式的分裂和移动, 同时提高光栅基SPR传感器的品质因数, 提出了一种由双金属光栅构成的新型复合结构光栅, 并研究了其气体传感特性. 运用有限时域差分算法对该结构进行了数值模拟, 发现由复合金属光栅激发的SPR出现模式分裂的现象. 通过增大双金属光栅阵列间的相对位移改变原结构的对称性, 导致复合金属光栅分裂的SPR模式朝相反方向移动. 当相对位移量进一步增大到双光栅合并成新的单一光栅时, 随光栅结构对称性的恢复, 分裂的两共振模式最后又重新合并为一个模式. 如果待测物的折射率为1.01≤n_a≤1.05, 当相对位移量为0时, 基于复合光栅结构气体传感器的折射率灵敏度为1207.5 nm/RIU, 且品质因数达到1290.7; 当相对位移量为100 nm时, 与双共振模式对应的折射率灵敏度分别为1205.0 nm/RIU和1210.0 nm/RIU, 品质因数分别为1295.4和762.3. 因此, 复合光栅SPR传感器具有超高品质因数的性能, 使得它在生物化学传感领域中有巨大的应用潜力.     

光强检测型空芯光纤表面等离子体共振传感器EI北大核心CSCD

提出了基于光强检测方式的空芯光纤表面等离子体共振(SPR)传感器。采用波长为532nm的激光作为光源,对所设计传感器的性能进行了研究,并采用光传输模型对传感器的性能进行了理论分析,所得理论结果与实验结果相符。传感器在线性区的最高灵敏度和最佳分辨率分别达到8380.3μW/RIU和5.5×10^(-6) RIU。相比于波长检测型空芯光纤SPR传感器,所提传感器的分辨率提高了2个数量级,且实验系统简单,有利于器件的进一步小型化。     

基于银/高纯铟复合膜的表面等离子体共振折射率传感器

为了解决单一金属膜结构的光纤表面等离子体共振（SPR）盐度传感器结构不稳定且灵敏度较低的问题,设计了一种高灵敏度的锥形三芯光纤结构的SPR盐度传感器。以银膜为激发表面等离子体共振的金属层,在其表面涂覆高纯铟以增强其稳定性。通过Kretschmann四层结构模型对传感器进行理论分析,结果表明,在光纤锥区纤芯模和包层模之间会出现强烈的模式耦合,在覆膜区会激发明显的等离子体共振。对涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器进行折射率性能测试,在1.4%～3.6%的盐度变化范围内,涂覆银膜和高纯铟膜的SPR传感器灵敏度高达4989.34 nm/RIU,对应的盐度灵敏度为9.1 nm/%,比仅涂覆银膜的SPR传感器灵敏度提高了44%。     

表面等离子体波传感器角度敏感特性的研究

研究了表面等离子体波共振(SPR)光谱对入射光角度变化的敏感特性,提出了对共振波长和共振强度进行双参数检测的方法。理论分析和实验表明,共振波长和共振强度同时对入射角度的微小改变非常敏感,且相互之间具有良好的对应关系。通过选择合适的棱镜、金属薄膜、调制层等结构参数,能有效地调整角度敏感的范围和灵敏度。     

一种用于表面等离子体共振传感器的纳米多孔金膜

为了打破传统的表面等离子体共振(SPR)生物传感器灵敏度不高的限制,近年来纳米材料在SPR生物传感器中的运用得到广泛的研究。但是纳米材料的制备一般都比较困难而且费用高昂,这给研究带来了困难。笔者采用化学腐蚀法制备出一种纳米多孔金膜,利用扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对该金膜的结构和光学性质进行了分析,并将该金膜用于SPR生物传感器实验研究。结果表明,与传统的平面金膜相比,该纳米多孔金膜具有独特的局域表面等离子体共振效应。装配有该金膜的SPR生物传感器在对生物试剂的检测中灵敏度有了一定程度的提高,且该金膜的制备方法简单,成本低廉,完全可以替代传统的平面金膜使用。     

表面等离子体共振控制镜面反射率

对金属介电常数随温度变化的计算进行了修正,提出了利用表面等离子体共振(SPR)实现温度控制镜面反射率的方法。在Kretschmann结构中的金属膜上涂覆热光系数较大的聚合物材料,考虑该结构中各种材料介电常数以及金属膜厚度随温度的变化,利用特征矩阵法进行了数值模拟,得到SPR反射率曲线随温度的变化。模拟结果显示,当波长为532nm的p偏振光分别以70°和75°入射时,在10℃～90℃范围内调节温度,可实现反射率在52.8%～41.5%和31.1%～18.8%范围内的调节。     

镀银空芯光纤表面等离子体共振传感器的研究

提出了一种新型的基于镀银空芯光纤结构的表面等离子体共振(SPR)传感器。建立了光学模型对传感器内的光传播进行分析,在理论上推导出了传输光谱公式。制作了不同银膜厚度的空芯光纤SPR传感器,搭建了实验系统对内芯充入不同折射率的液体介质的传感器传输光谱进行了测量,获得了相应的SPR光谱。通过理论计算和实验测量对传感器的灵敏度特性和测量准确性进行了分析讨论。结果表明该传感器是一种灵敏度较高的、能实时检测待测高折射率液体介质的SPR传感器,它在一定范围内能够很好地弥补传统光纤表面等离子体共振传感器的不足,并且开拓了空芯光纤的一个新的应用领域。     

表面等离子体共振传感技术应用于小分子检测

人体内的生物小分子对维持生命体健康具有重要影响,此类分子参与生命体的血液循环及免疫系统,因此检测生命体中生物小分子对研究小分子在生命体中的生理功能有着重要的意义。傅里叶变换-表面等离子体共振（Fourier transform-surface plasmon resonance,FT-SPR）光谱技术具有操作简便、灵敏度高、所需样品少、可实时检测等优点,近年越来越多应用于分子的检测。对于部分分子尤其是分子量非常小的生物小分子,FT-SPR直接检测法存在信号稳定性差、灵敏度不高等缺点,因此可以针对不同的检测目标构建系列SPR小分子生物传感器通过信号扩增弥补以上缺点。该研究分类并列举了用于小分子检测的SPR免疫传感器（直接检测法、“三明治”法、竞争检测法以及抑制检测法）、SPR分子印迹传感器以及其他基于SPR传感器,系统综述了SPR技术检测小分子的研究进展,并对其发展远景进行了展望。     

数值模拟二维间隙表面等离子波导传输特性

利用表面等离子激元的新颖特性,设计了二维间隙表面等离子波导.以这种结构为基础通过变形和组合形成90°直角弯曲波导、T型光功率分配器和光开光,采用时域有限差分法研究了它们的传输特性.结果表明:不同于介质光波导的弯曲损耗来自于辐射泄漏,90°直角弯曲间隙表面等离子波导的能量损耗主要来自于金属中的欧姆热损耗.在间隙达到40 nm以上后,当直行段的长度适当时,弯曲段的透射率较相同长度的直波导的透射率要大.T型光功率分配器在两输出波导的间隙宽度比达到0.6及以上时,不同于传统介质波导的分光原则,能量主要沿等效折射率较小的输出臂流出.当两输入光的相位反相时,T型光开关处于输出截止的状态,当两输入光的相位同相时,T型光开关处于输出导通的状态.所有波导间隙均小于衍射极限,实现了超衍射极限传播,可用于未来了超大规模集成光路中.     

超越SNOM探针通光孔径尺寸的金属纳米间隙超分辨测量

采用电磁场有限元方法,数值模拟了孔径型扫描近场光学显微镜(aperture Scanning Near-field Optical Microscopy,a-SNOM)在照明模式下的工作过程.针对金偶极天线结构,改变天线长度和纳米间隙尺寸,计算了a-SNOM探针孔径的远场辐射速率随探针端面中心坐标变化的扫描曲线,实现了超越a-SNOM探针通光孔径尺寸的天线金属纳米间隙的超分辨测量,对于100nm通光孔径的探针,可分辨最小尺寸为10nm(0.016倍波长)的金属间隙.通过对比金属和介质偶极天线的a-SNOM探针远场辐射速率测量的计算结果,表明天线金属纳米间隙的超分辨测量的实现是由于金属间隙表面等离激元的激发.     

Measuring small wavelength differences by heterodyne interferometry and optical activity of chiral crystal

The optical activity of a chiral crystal and common-path heterodyne interferometry are used in a simple measurement technique that was developed to measure small wavelength differences. When circularly polarized heterodyne light passes through a chiral crystal, the plane of polarization rotates. The phase difference between the right- and left-circular lights is directly proportional to the angle of rotation. The rotation angle depends strongly on the wavelength. The phase difference can be accurately detected and substituted into specially derived equations to estimate wavelength variations. The feasibility of this method was demonstrated and the wavelength sensitivity was about 0.00812 nm. This method provides the advantages of a simple structure, ease of operations, a large wavelength measurement range and high sensitivity.     

声光调制光谱相机的成像漂移

研究了基于声光可调滤波机理的光谱相机在成像时由声光晶体的色散而产生的图像漂移现象。利用色散补偿法和图像位移补偿法,理论计算并实验测量了声光可调滤波器（AOTF）在可见光（488～644 nm）波段内由晶体外衍射角所引起的图像漂移,并进行了优化实验。采用色散补偿法,调整入射光为准平行光,入射光波长为488～644 nm时,在晶体出射面添加0.6°的光楔,晶体外衍射角的变化量可由0.066 50°降低到0.004 2°,即图像漂移量由162.1μm降低到10.9μm;采用图像位移补偿法,不添加光楔,入射光波长为488～644 nm时,图像水平漂移量可从468μm降低到0.658μm,漂移量在一个像元内。实验表明：基于提出的两种方法可忽略成像漂移对图像的影响,有效提高了基于AOTF机理的光谱相机的成像分辨率。     

基于双AOTF的新型成像光谱偏振探测系统

声光可调谐滤波器(AOTF)具有体积小、波长稳定性好、扫描范围宽、调制速度快等优点,在光谱成像中被广泛应用,但单独采用AOTF的成像光谱偏振探测还较少。为此提出只采用两个AOTF的成像光谱偏振探测新方法。该方法首先通过分束镜将入射光分成两束,两束光分别通过两个AOTF,而两个AOTF的正一级衍射光的偏振方向互成45°,由于AOTF的正一级衍射光的偏振方向互相垂直,因此两个AOTF的正负一级分别可得到0°,45°,90°和135°的光强,在测量中需保持两个AOTF的滤光所对应的波长完全相等。最后通过对两个AOTF的正负一级衍射成像,最终得到Stokes偏振信息中S₀(0°和90°光强和)、S₁(0°和90°光强差)和S₂(45°和135°光强差),结合相应的理论公式对被测目标的线偏振度(DoLP)和线偏振角(AoLP)实现成像。再通过对AOTF的射频驱动进行扫频,实现对被测目标不同波长偏振成像,最终实现成像光谱偏振探测。并通过对500,550和600 nm偏振成像进行实验验证。该方法具有无运动部件、无需转动、一次测量同时获得成像光谱偏振信息的优点。     

Circularly polarized localized near-field radiation at the nanoscale

Diffraction-limited circularly polarized electromagnetic radiation has been widely used in the literature for various applications at both optical and microwave frequencies. With advances in nanotechnology, emerging plasmonic nano-optical applications, such as all-optical magnetic recording, require circularly polarized electromagnetic radiation beyond the diffraction limit. In this study, a plasmonic cross-dipole nano-antenna is investigated to obtain a circularly polarized near-field optical spot with a size smaller than the diffraction limit of light. A cross-dipole nano-antenna is composed of four metallic nano-rods placed at a perpendicular orientation with respect to each other. The performance of the nano-antenna is investigated through numerical simulations. In the first part of this study, the nano-antenna is illuminated with a diffraction-limited circularly polarized radiation. An optimal antenna geometry is specified to obtain an intense optical spot that satisfies two necessary conditions for circular polarization: a phase difference of 90° and a unit amplitude ratio between the electric field components in the vicinity of the antenna gap. In the second part of this study, the nano-antenna is illuminated with diffraction-limited linearly polarized radiation. It is shown that the phase difference between the electric field components can be adjusted by selecting either different antenna lengths or different gap distances in the vertical and horizontal directions. Due to the relatively short wavelength of surface plasma waves on the antenna, it is demonstrated that the phase difference can be sufficient to obtain circularly polarized light. An optimal physical configuration for the nano-antenna and the polarization angle of the incident light is identified to obtain a circularly polarized optical spot beyond the diffraction limit from diffraction-limited linearly polarized radiation.     

A phase quadrature interferometer for measuring the small optical rotation angle of a chiral medium

The passage of a linearly polarized beam through a chiral material and a phase retarder will induce a phase difference between the s and p polarizations of the beam. In this study, a phase quadrature interferometer is designed to measure the phase difference variation proportional to the optical rotation. The proportionality constant (or measurement sensitivity) can be greatly enhanced by setting the retardation of the phase retarder close to 0° or 180°. The experimental results demonstrate that with our system we can obtain a measurement resolution for the rotational angle of better than 3.5° × 10⁻⁴. This method has several advantages such as a simple optical setup, easier operation in real time, and low cost. In addition, due to the common-path arrangement, surrounding noise can be eliminated.     

大气气溶胶浓度检测及检测系统设计

提出了一种双通道交替探测透射和散射的气溶胶浓度检测方法,并设计了相应的检测装置。利用光通过气溶胶后被吸收和散射的作用,采用双光路周期性测量90°散射光及透射光光强,消除了光源老化及探测器灵敏度不同对测量结果的影响。选用MSP430单片机作为主控芯片,通过对激光管施加脉冲信号实现对光信号调制,并在探测接收端进行信号的放大及滤波,有效消除了环境因素对测量精度的干扰。采用该测量装置进行了气溶胶测量,结果显示其线性较好,线性相关系数为0.976 5,表明测量系统稳定可靠。     

Nanostructure identification using interference microscope with database

Interference microscopy with complex-amplitude pattern matching between an observed image and images stored in a database can observe nanostructures beyond the diffraction limit of light. The fundamental performance was investigated from size measurement of a single rectangular convex element with a height and width less than 100 nm under illumination light with a wavelength of 400 nm, using an objective lens with a numerical aperture of 0.85. A 50 nm rectangular convex element was reconstructed with an identification error rate of less than 1% and a root-mean square error lower than 1 nm in the presence of random noise. The element height could be detected with a lower error than its width when the element size was larger than ~?50 nm. However, this tendency reversed when the size was smaller than ~?50 nm, that is, the detection of the width had a slightly lower error than that of the height. In addition to these findings, position detection showed a small dependency on the element size when the position was in the laser beam.     

基于量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪的低频信号测量

利用低频光通信波段真空压缩态光场可实现基于光纤的量子精密测量.本文利用简并光学参量振荡器实验制备出1550 nm低频真空压缩态光场.在分析频段10—500 kHz范围内压缩态光场的压缩度均达3 dB.用实验制备的1550 nm真空压缩态光场填补光纤马赫-曾德尔干涉仪的真空通道,实现了量子增强型光纤马赫-曾德尔干涉仪,完成了突破标准量子极限的相位调制频率为500 kHz的低频信号测量.与光纤马赫-曾德尔干涉仪相比,测量信噪比提高了2 dB.