表面覆膜波导光栅共振光谱特性及传感机理分析

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论,提出一种表面覆膜波导光栅传感结构,并研究其共振光谱特性。通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性,选用多孔硅作为待测物承载单元,可以使光学探针更充分地接触待测样本,从而提高其检测性能。根据波导光栅共振相位条件,建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型,通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。研究表明,该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性,可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性,其Q值为1 488,对折射率的检测极限可达5×10^(-4) RIU(RIU为折射率单位)。通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析,结果表明,共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%,证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性,可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测,并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。

全圆锥入射下基于一维共振波导光栅的入射角调谐滤波器

本文提出并展示了一种全圆锥入射下基于一维共振波导光栅的入射角调谐滤波器。通过优化光栅层厚度,使其能够在支持TE导模的同时抑制TM导模。本文设计的滤波器呈现出可调谐的单一反射峰,峰值反射率理论上可达100%。当入射角改变时,共振波长可以由642.5 nm调节至484.6 nm。该反射峰是由一级衍射波与TE导模(基模)之间的共振效应所产生的。同样地,通过按比例增加光栅层的厚度和周期可实现应用于更高动态范围的可调谐滤波器。

兼具反射和透射模式的共振波导光栅滤波器的设计

目前,应用于生物传感系统的共振波导光栅窄带滤波器仅能实现反射或透射的单一滤波模式。为了扩展被检样品的种类和提高样品的检测准确度,本文基于导模共振效应设计了兼具反射和透射模式的共振波导光栅滤波器。首先,基于经典的一维共振波导光栅结构,通过调节入射条件,设计了在同一波长(632.8 nm)处反射-透射模式可转换的滤波器,该滤波器在两种模式下均具有优良的滤波性能,光谱效率高于98%,Q因子大于1000。然后,从物理机制层面出发,分析了同一器件实现两种滤波模式的共振机理。结果表明:不同入射条件下,同一共振波导光栅结构在设计波长处可实现反射-透射窄带滤波模式的转换。