太赫茲連續(xù)波成像及光子晶體光纖表面等離子體共振傳感研究.pdf

1、太赫茲波(terahertz wave，簡稱THz)以其獨(dú)特的性質(zhì)在時域光譜技術(shù)、成像技術(shù)、通信技術(shù)、監(jiān)視與探測技術(shù)以及天文學(xué)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，其中THz成像技術(shù)是THz應(yīng)用技術(shù)中最有發(fā)展前景的方向之一。隨著THz成像技術(shù)的發(fā)展，如何獲得簡單、快速、價格低廉的THz圖像成為THz成像技術(shù)推廣的瓶頸。我們搭建了一套THz連續(xù)波點(diǎn)掃描成像裝置能夠有效解決上述問題。
　　 在傳感技術(shù)中，基于光子晶體光纖表面等離子體共振(ph

2、otonic-crystal-fibersurface-plasmon-resonance，PCF-SPR)傳感器由于同時具備PCF的優(yōu)良傳輸特性以及SPR的高靈敏特性非常適合用于傳感。文章中選擇兩種結(jié)構(gòu)的PCF-SPR傳感器進(jìn)行模擬，并利用LMA系列PCF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
　　 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：
　　 1.搭建了一套THz連續(xù)波點(diǎn)掃描透射成像裝置。采用逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行成像，記錄THz透過樣品后的強(qiáng)度信息并繪制

3、樣品的THz透射圖像。該系統(tǒng)不需要時間延遲裝置，不需要在掃描點(diǎn)上暫停，使得成像速度提高了很多；配合相應(yīng)的高精度二維電控平移臺，可以對不同尺寸樣品進(jìn)行成像；還可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行不同分辨率的THz成像。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并且有快速的數(shù)據(jù)獲取能力和相對較低的成本，因此具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。
　　 2.分析影響成像質(zhì)量的因素，對高質(zhì)量的THz連續(xù)波點(diǎn)掃描成像進(jìn)行研究。最終選擇THz波長為118.8μm，樣品處光斑直徑

4、為1.8mm，電控平移臺的運(yùn)動步長為0.25mm，此時可以獲得圖像的分辨率為0.4mm，成像質(zhì)量可以與THz焦平面陣列相機(jī)所成圖像相媲美。利用這套系統(tǒng)，我們對一些有代表性的樣品進(jìn)行對比成像，成像效果非常理想。
　　 3.對幾種常見的計算PCF的方法進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹了有限元法(finiteelement method，F(xiàn)EM)。FEM能夠配合完美匹配層(perfectly matched layer，PML)對PCF-SPR傳感

5、器進(jìn)行計算。在典型結(jié)構(gòu)的PCF-SPR傳感器的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計了大孔徑微流體通道的PCF-SPR傳感器。此種PCF結(jié)構(gòu)簡單，相對易于拉制；由于增大了微流體通道的直徑，有利于金屬鍍膜的操作以及微流體的滲入；增大了待測樣品與金屬層的接觸面積，且界面更加靠近纖芯，易于實(shí)現(xiàn)等離子體模式與芯導(dǎo)模式的能量耦合，可以有效地測量微流體的折射率。
　　 4.在空氣芯光子帶隙型(photonic bandgap，PBG)PCF的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了一種

6、在空氣芯中填充甘油的液芯PCF-SPR溫度傳感器。由于甘油具有較高的折射率，這種設(shè)計將PCF的傳輸類型由PBG型改變?yōu)槿珒?nèi)反射型(total internalreflection，TIR)，大大拓寬了其通光范圍。在一定溫度范圍內(nèi)，甘油的折射率與溫度呈線性變化，可以通過測量透射光得知甘油此時的折射率，進(jìn)而可以檢測此時的環(huán)境溫度。這種設(shè)計充分利用了空芯PCF的大空氣孔，由于只需在中心大空氣孔中操作，使得鍍膜和填充液體更加簡單，且鍍膜的均勻性

7、更加易于掌握。
　　 5.由于自行設(shè)計的PCF結(jié)構(gòu)復(fù)雜往往難以拉制，在微小的纖芯空氣孔中鍍納米量級的金屬膜以及微流體的滲入比較困難，連續(xù)寬帶相干光源難以實(shí)現(xiàn)等原因，目前對基于PCF-SPR傳感器大多還停留在理論研究階段。我們使用拉制技術(shù)比較成熟的NKT Photonics公司生產(chǎn)的LMA系列PCF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，嘗試用多種方法在PCF包層空氣孔中鍍金屬膜，選擇溴鎢燈做為連續(xù)寬帶光源并實(shí)現(xiàn)光纖耦合輸出，用光譜儀探測輸出連續(xù)寬帶光的光