基于Lab VIEW的FBG传感解调技术的研究

结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术,自行设计了一套光纤光栅传感解调系统。系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的光纤布喇格光栅(FBG)波长信号转变成相位信号,通过以Lab VIEW为核心的虚拟仪器系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小。该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响,因此使测量精度提高。虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点。

Lab VIEW实现光纤光栅传感干涉解调技术的研究

结合虚拟仪器技术和光纤光栅传感技术,自行设计了一套光纤光栅传感解调系统.系统采用了基于迈克尔逊干涉技术的解调方法,将包含被测应变信息的FBG波长信号转变成相位信号,通过以Lab VIEW为核心的虚拟仪器系统检测相位的变化,从而得到被测应变的大小.该干涉解调系统避开了传统解调系统受电磁干扰和环境等方面的影响,因此使得测量精度有了很大的提高.虚拟仪器系统可用于静态应变和动态应变的检测,具有高分辨力、大测量范围的特点.

基于CC2431的低功耗网络节点

针对无线传感器网络节点体积小、能耗低、存储和通信能力有限等特点,以Z igBee为基础,提出了一种基于CC2431的低功耗网络节点的设计方案。详细阐述了构成传感器节点的各模块的设计,即采用了CC2431芯片作为核心元件,使用温湿度传感器SHT11进行温湿度数据采集,并给出了节点软件的设计方案。节点的软硬件均采用低功耗设计,经测试证明,该节点运行稳定可靠,具有较高的通信效率,并且符合设计中对低功耗的要求。

亚波长介质光栅/MDM波导/周期性光子晶体中双重Fano共振的形成及演变规律分析

基于衍射原理和模耦合理论,提出了一种由亚波长介质光栅/金属-电介质-金属(metal-dielectric-metal,MDM)波导/周期性光子晶体组成的复合微纳结构.结合反射角谱深入分析了表面等离子激元的传输特性以及在固定波长下不同入射角时刻形成的双重Fano共振的产生机理.研究表明,双重Fano共振是由在亚波长介质光栅/MDM波导结合的上层结构中产生的独立可调的双离散态分别与在周期性光子晶体中形成的连续态相互耦合形成的.接着定量讨论了结构参数对双重Fano特性的影响,探究了双重Fano共振的演变规律.结果表明,改变结构参数可实现双Fano共振曲线和谐振角度之间的调谐,且在最优条件下,共振A区FR a和FR b的品质因数(figure of merit,FOM)可高达460.0和4.00×10^(4),共振B区FR a和FR b的FOM值可高达269.2和2.22×10^(4).该结构可为基于Fano共振的折射率传感器设计提供有效的理论参考.

基于表面等离子体诱导透明的半封闭T形波导侧耦合圆盘腔的波导滤波器

基于表面等离子体激元的传输及耦合特性,提出了一种半封闭T形波导侧耦合圆盘腔的金属-介质-金属波导滤波器结构.应用有限元法研究了其传输特性.结果表明,在透射光谱中出现了基于等离子诱导透明(PIT)效应的窄带透射峰.通过理论分析与模场分布有效阐释了PIT透明峰与两侧谷值的物理产生机理,同时数值研究表明通过改变支节长度与圆盘谐振腔半径可调节滤波器共振波长,通过外调制来改变结构介质折射率可实现滤波波长的近似线性调节.进一步,在圆盘腔中内嵌增益介质,增强了其对光的局域能力,加强了模式共振作用,实现了压缩滤波通带带宽的同时有效地提高了结构透射率,相比同类滤波器获得了更好的滤波性能.研究结果为高分辨率窄带滤波器的设计提供了有效的理论参考.

含双挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的独立调谐双重Fano共振特性

基于表面等离子激元在亚波长结构的传输特性,设计了一种含双挡板金属-电介质-金属波导耦合两个方形腔的结构.由F-P谐振腔产生的宽谱模式与两个方形谐振腔产生的两个窄谱模式发生干涉作用,形成了独立调谐的双重Fano共振,而且可以通过改变两个方形腔的大小及填充介质实现双重Fano共振的独立调谐.基于耦合模理论,定性分析了该结构产生双重Fano共振的机理.利用有限元仿真的方法,定量分析了结构参数对可独立调谐双重Fano共振和折射率传感特性的影响.结果表明,优化参数后该结构的灵敏度分别高达1020和1120 nm/RIU, FOM值分别高达3.59×10~5和1.17×10~6.该结构可为超快光开关、多功能高灵敏度传感器和慢光器件的光学集成提供有效的理论参考.

基于群论的晶格扰动介质纳米孔阵列多重Fano共振机理及演变

基于全介质超构材料独特的电磁属性,提出了一种晶格扰动介质纳米孔阵列超构表面来激发近红外区域的多重Fano共振.结合群论深入探究了该超构表面在其原胞为方形晶格构型与方形晶格对称性被破坏两情况下多重Fano共振的形成机理及演变规律.研究表明,在方形晶格超构表面中,外部辐射连续体分别与由正入射平面波直接激发的双重简并模式共振干涉形成双重Fano共振,且该共振与原胞中是否含孔及孔的形状无关,在晶格扰动超构表面中,原本不耦合的非简并模式由正入射平面波激发出来并与外部辐射连续体干涉形成Q值更高的三重Fano共振.进一步探讨了正入射平面波的xy极化方向对上述五重Fano共振的影响,结果表明,双重简并模式Fano共振偏振无关,三重非简并模式Fano共振偏振依赖.本文将为利用方形晶格构型的超构表面实现多重Fano共振的激发及演变提供有效的理论参考.

基于MoS_(2)薄膜耦合波导的高品质因数传感特性研究

在波导耦合表面等离子体共振传感器结构中引入MoS_(2)材料,提出了一种全介质MoS_(2)薄膜混合耦合波导结构传感器,该结构使得低品质因数(FOM)波导中产生了频域较宽的宽共振,而高FOM波导中产生了频域较窄的窄共振,实现了双波导耦合,进而产生了Fano共振。对传感结构进行了数值模拟与分析研究,探究了MoS_(2)层数及各结构参数对传感性能的影响,并依据其影响将两波导厚度、相邻两层介质材料厚度、MoS_(2)层数作为输入参数,将FOM值作为输出参数,建立了基于深度极限学习机的优化算法。利用优化算法对权值参数进行优化,对比不同优化算法对光谱的优化能力,最终得到了GWO-DELM预测模型。结果表明,Fano形状可以通过改变结构参数进行动态调控。在最佳条件下,经过优化算法优化后的Fano共振的FOM值高达50000。

对称双缺陷光子晶体的可调谐滤波特性分析

基于光子晶体的光子局域特性,并利用光子晶体的介观压光效应,提出了一种新型的双通道可调滤波器结构.采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了理论推导,建立了透射谱与光子晶体结构参数的关系,讨论了介观压光效应对双缺陷光子晶体透射谱的影响,并对所设计的光子晶体结构进行了数值模拟.结果表明:随着入射角度的增大,缺陷峰发生蓝移.随着各介质层折射率或几何厚度的增加,缺陷峰发生红移.当光子晶体发生轴向拉伸应变时,缺陷峰的位置向长波长移动,但缺陷峰的峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性.该光子晶体滤波器结构紧凑,可调谐性好,为光子晶体激光器及传感器的设计提供了一定的理论参考.

基于全介质超表面的微流体折射率传感器

基于全介质超材料的电磁属性,提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置;利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟,仿真结果表明,该结构可以产生三重Fano共振,包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外,分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响,得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36nm/RIU,品质因数Q最大可达到1252.3,并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。

亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构的研究

提出了一种亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构,在结构中可产生导模共振模式、表面等离子激元共振模式和局域表面等离子体模式,模式之间互相耦合,从而在反射光谱中形成两个窄带共振缺陷峰。通过研究共振缺陷峰处磁场分布和结构参数对反射谱的影响,分析了结构中的共振模式。根据导模共振原理和表面等离子体共振形成条件,建立共振缺陷峰波长与结构参数之间的关系模型,通过观察共振缺陷峰波长的漂移实现待测样本气体浓度的动态实时监测。以多孔硅为传感载体、甲醛气体为待测样本,分析传感器的品质因数和灵敏度。结果表明,两个窄带共振缺陷峰的品质因数分别可达42.3RIU-1和78.5RIU-1,灵敏度分别为466nm/RIU和628nm/RIU。

光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构的Fano共振传感机理

基于Fano共振原理,提出光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构。由光子晶体纳米梁所产生的宽的连续态与由光子晶体纳米梁腔所产生的窄的离散态干涉相消实现Fano共振。基于耦合模理论,定性分析该结构中Fano共振的产生机制,利用时域有限差分法对该结构进行模拟仿真,定量分析结构参数对折射率传感特性的影响,并对结构参数进行优化分析。结果表明,优化后的结构品质因子值可高达5.1×10^3,这将为集成光子晶体波导传感器件设计提供有效的理论参考和技术指导。

亚波长介质光栅-金属Ag薄膜-周期性光子晶体混合结构的Fano共振传感机理

基于表面等离子体极化激元的传输特性和周期性光子晶体的光学特性,提出了一种在亚波长介质光栅-金属Ag薄膜结构中产生离散态,在周期性光子晶体结构中产生连续态的亚波长介质光栅-金属Ag薄膜-周期性光子晶体混合结构。通过对该结构进行理论分析和传输特性研究,阐述了该结构中Fano共振产生的机理,建立了基于角度调制的Fano共振传感结构模型,并定量分析了结构参数对反射光谱曲线的影响。结果表明:当周期性光子晶体周期层数N=4、光栅周期Λ=258 nm和金属Ag薄膜厚度d0=27 nm时,该结构的品质因数FOM值高达2.11×10^4,角灵敏度S=40(°)/RIU。该结构为亚波长介质光栅结构中实现Fano共振提供了有效的理论参考,对光学折射率传感结构的设计具有一定的指导意义。

双金属挡板金属-电介质-金属波导耦合方形腔的Fano共振传感特性

基于表面等离激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含双金属挡板的金属-电介质-金属(MDM)波导耦合方形腔结构。法布里-珀罗(F-P)谐振腔产生的宽连续态与由方形谐振腔产生的窄离散态干涉相消,形成了Fano共振。基于耦合模理论,定性分析了该结构Fano共振的产生机理。利用有限元法对该结构进行了仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明,优化参数后该结构的折射率灵敏度高达1080 nm/RIU,优质因子高达7.35×10~5。

侧耦合谐振腔的多重独立可调谐Fano共振传感特性

基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。

耦合内嵌银条圆盘腔的金属-介质-金属弯曲波导滤波特性

基于表面等离子激元的传输及耦合特性,设计了一种耦合内嵌银条圆盘腔的金属-介质-金属弯曲波导滤波器结构。并应用有限元法对该结构的光谱特性及滤波特性进行了分析。结果表明,内嵌的银条打破了结构的对称性,实现了双模式共振效应,且该结构由于具有双边耦合效应,获得了比单边耦合更高的耦合效率,透射谱中出现了两个明显的阻带,获得了很好的双频窄带滤波功能,相比已报道的同类滤波器得到了更高的品质因子;改变圆盘谐振腔半径或腔内介质折射率,可实现滤波波长的近似线性调节。

晶格扰动对纳米孔超表面Fano共振特性的影响

高Q值共振超表面以其对局域电磁场的显著增强而在纳米光子学中受到广泛关注。基于全介质材料独特的电磁属性,提出了一种方形晶格对称性破缺的全介质纳米孔阵列超表面,通过打破方形晶格原胞的面内对称性来激发近红外区域的高Q值Fano共振。在垂直入射平面波的激发下,该超表面实现了极化独立的双重简并模态Fano共振以及极化依赖的三重非简并模态Fano共振,后者具有更高的Q值与更强的电磁局域性能。采用数值模拟探究了晶格扰动参数对三重非简并模态Fano共振特性的影响。结果表明,三重非简并模态Fano共振的Q值与局域电场强度受晶格扰动参数控制,通过优化晶格扰动参数,三重非简并模态Fano共振的Q值可同时高达1.8×10^(4),2.7×10^(4),1.9×10^(4),其局域电场强度可同时高达2×10^(4),3×10^(4),1.5×10^(4)。

单挡板MDM波导耦合圆盘腔的Fano共振双模式特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘腔结构。由圆盘腔形成的两个孤立态与金属挡板形成的较宽的连续态干涉相消,形成两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论分析了该结构形成Fano共振的传输特性,用有限元分析法对结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明:优化后的结构在两种模式下的优质因子分别为1.7×105和1.36×105,折射率灵敏度分别为710nm/RIU和1105nm/RIU,可为解决传感器在折射率测量时的交叉敏感问题提供理论参考。

单挡板金属-电介质-金属波导耦合圆盘腔级联多Fano共振差动传感

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论,分析了该结构形成Fano共振的传输特性,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。