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光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统

《光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统》是依托复旦大学,由陆冰睿担任项目负责人的青年科学基金项目。

光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统基本信息

光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统结题摘要

金属性纳米亚波长平面光子晶体的表面等离子体共振(SPR)透射增强光谱的波峰位置与光子晶体表面覆盖材料的平均折射率间具有密切的关系。本项目研究二维金属光子晶体与SPR信号的内在关联机理,建立利用二维金属光子晶体特殊结构和表面特定金属材料层产生的SPR增强信号进行生物检测与监测的模型,以此为基础对新型非平面纳米加工技术进行开发性研究,制备光纤式平面金属光子晶体SPR传感集成系统,对材料进行非破坏性实时定量分析。本项目的研究按照项目计划中“建立简单模型——纳米工艺研究——设计参数优化——系统集成——实例演示”的路线进行展开,在具体工作中将模型计算和纳米工艺研究并进,在完成两者的优化设计后实现系统集成的研究并完成演示,在结构的物理原理研究和纳米工艺技术的研究方面均有进展,达到研究目标。对纳米平面金属材料光子晶体的结构进行多种设计比较,包括空心环状单元、紧密排列纳米金属柱、圆孔阵列以及底部带有金属盘的圆孔阵列,研究其本征SPR特性的研究及在生物化学检测中的响应特性;针对每种结构进行了相应的纳米工艺研究,以电子束光刻为前期基础,针对不同设计所制备的器件进行工艺设计,注重于提高纳米加工的尺度和精度,其后以电子束光刻结合反应离子刻蚀等工艺手段制备压印模板,用于光纤集成的纳米压印工艺开发。在完成系统集成后,进行了化学检测的光谱检测演示和色谱检测演示,实现研究目标。本项目研究中,对多种纳米结构的SPR特性的系统研究为未来相应工作打下了坚实的基础,其中开发的10nm线宽电子束工艺、超高高宽比金属柱阵列电镀工艺、对底部金属圆盘的纳米孔阵结构的共振能级分裂机制的研究在国际上均具有前沿性,是较为成功的研究成果。本项目的研究工作可以创造一个实时监测的研究手段,提供大量数据,为实现生物分析的定量化研究提供了可能;能够延伸到其他应用领域,如材料分析,血液分析,毒物分析,环境监测,光刻胶折射率检测,高分子材料交联固化机理研究等;能够利用温度、湿度、营养等控制参数对生物体演化过程的影响,通过实时监测进行记录,完成对该过程的控制与监测;有助于对生物演变的内在过程的认知和探究;还可用于药物试验,检测药物对生物的影响;并有望发展成为一种生物医疗的科研设备,为进一步的向医疗诊断发展提供研究方向; 在此基础上最终提高医疗保健水平,提高人民生活质量。 2100433B

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光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统造价信息

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光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统项目摘要

金属性纳米亚波长平面光子晶体的表面等离子体共振(SPR)透射增强光谱的波峰位置与光子晶体表面生物分子的折射率间具有密切的关系。本项目利用该关系制备光纤式平面金属光子晶体SPR传感集成系统,对生物化学现象进行非破坏性实时定量分析,并以蛋白分子材料表面吸附过程的监测为实例进行成果展示。以数值计算和FDTD计算机模拟相结合为理论基础对器件结构和材料建模,参考检测实际情况细化模型,采用电子束光刻、纳米压印、干涉光刻等纳米加工方法制备平面器件,并设计全新工艺技术将器件集成于光纤顶端,并与光源、光谱仪形成监测系统,对材料的生物化学演化进行实时监测,实现分析的定量化,通过记录实现各控制参数对生物过程影响的控制与检测,为纳米尺度小样本生化研究提供实时监测的研究手段,为认知其内在过程创造条件。该研究手段有望发展成为一种生物医疗的科研设备,或延伸到其他应用,如材料分析,血液分析,毒物分析,药物测试及环境监测。

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光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统常见问题

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光纤集成式平面光子晶体SPR传感实时定量监测系统文献

光子晶体光纤研究 光子晶体光纤研究

光子晶体光纤研究

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页数: 4页

光子晶体光纤以其灵活的结构设计和高非线性、平坦色散、高双折射等独特光学特性吸引了越来越多的关注。简单介绍了光子晶体光纤的分类,导光机理,详细讨论了其相关光学特性,最后介绍了光子晶体光纤的研究进展。

光子晶体光纤 光子晶体光纤

光子晶体光纤

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页数: 4页

光子晶体光纤独特的结构和导模机制使它具有其他普通光纤无法比拟应用前景。本文对晶体光纤的定义、分类、特性和目前的研究情况做了详细的分析。

传感光纤光子晶体光纤

光子晶体光纤( PCF)是一种新型三维布拉格光栅光纤,由包含小气孔的玻璃纤维构成。因为能够将光限制在中空纤芯内,这种限制特性是传统光纤所不具备的,特别适用于传输高能量的非线性光学装置。根据不同散射信号的频率偏移,可使用光子晶体光纤通过布里渊散射传感对温度和应变同时进行测量。光子晶体光纤的缺点是成本极高。

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光子晶体光纤分类

光子晶体光纤按照其导光机理可以分为两大类:折射率导光型(IG-PCF)和带隙引导型(PCF)。带隙型光子晶体光纤能够约束光在低折射率的纤芯传播。第一根光子晶体光纤诞生于1996年,其为一个固体核心被正六边形阵列的圆柱孔环绕。这种光纤很快被证明是基于内部全反射的折射率引导传光。真正的带隙引导光子晶体光纤诞生于1998年。带隙型光子晶体光纤中,导光中心的折射率低于覆层折射率。空心光子晶体光纤(Hollow-core PCF,HC-PCF)是一种常见的带隙型光子晶体光纤。光子晶体光纤主要通过堆叠的方式拉制而成,有些情况下会使用硬模(die)来辅助制造

折射率导光型光子晶体光纤特性及应用

折射率引导型光子晶体光纤具有无截止单模特性 、大模场尺寸 /小模场尺寸和 色散可调特性(调节d,Λ等,无须掺杂)等特性。被广泛应用于色散控制 (色散平坦,零色散位移可以到800nm),非线性光学 (高非线性,超连续谱产生),多芯光纤 ,有源光纤器件(双包层PCF有效束缚泵浦光)和光纤传感等领域。

带隙型光子晶体光纤特性及应用

空隙带隙型光子晶体光纤具有易耦合,无菲涅尔反射,低弯曲损耗、低非线性和特殊波导色散等特点被广泛应用于高功率导光,光纤传感和气体光纤等方面。光子晶体光纤的发展为光纤传感开拓了广阔的空间,尤其是在生物传感和气体传感方面为光纤传感技术带来新的发展。

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全内反射光子晶体光纤1光子晶体

光子晶体在光纤领域的研究已多年,主要研究内容是具有高折射率的周期性微结构光纤,最典型的是在SiO2 材料环境中的周期性气孔结构,通常被称为光子晶体光纤( PCF)。 光子晶体光纤(PCF)又称为多孔光纤(Hole fiber),它由纯SiO2 和空气孔构成, 其横截面是沿轴向周期性均匀分布的圆空气孔, 在芯区位置周期性被破坏形成缺陷, 光就可以沿缺陷传播。PCF 可以分为两类:全内反射光子晶体光纤(TIR-PCF) 和光子带隙PCF 。通过对PCF 的结构进行设计可以获得许多独特的特性:无截止单模特性、模式双折射以及高非线性特性等。PCF 独特的色散特性可以应用于色散补偿、脉冲压缩、光孤子形成和受激拉曼散射增强等方面, 正成为研究热点。高双折射PCF 将应用于制作高性能的保偏光纤和光子器件的偏振保持等领域。

它可以分成2类: 第1种具有高折射率纤芯(如SiO2 ) ,二维光子晶体结构包层,一般与纤芯是同种材料,特性类似传统光纤,纤芯折射率比包层的有效折射率高, 导波方式与全反射( TIR)原理类似而并不依赖光子禁带效应( PBG) ,所以称为全内反射光子晶体光纤( TIR-PCF) ; 第2种的包层结构表现出PBG效应,从而把光束缚在纤芯区域,称为光子禁带光子晶体光纤( PBG-PCF)。真正的PBG-PCF直到最近才被实验证实,而TIR-PCF早已被制作出来并对其开展了广泛的研究。

自然界中也不乏存在很多光子晶体结构,比如 SiO2沉淀而成的蛋白石(opal)、蝴蝶翅膀和蠕虫的刚毛,蛋白石是由二氧化硅纳米球堆积而成,其结构存在周期性而具有光子带隙,由于带隙位置不同,不同频率的自然光被反射。蓝蝶翅膀上如彩虹般的蓝色光辉在半公里外就能看见,因为其角质层分立的层状结构形成了光子带隙,它斑斓的色彩是选择性反射日光的结果。蠕虫刚毛的横截面是一种六角光子晶体结构,整个长度可看成是一个伪光子晶体光纤。该结构具有高度的空间周期性,含有部分光子带隙,可横向观察到彩虹膜。

光子晶体根据周期结构的空间性划分,可以分成 1D 光子晶体、2D 光子晶体和3D 光子晶体三种类型, 在一维光子晶体中,某一方向的折射率呈周期分布,一定频率范围内的光在这一方向被严格禁止,而在折射率均匀分布的其它两个方向任意传输;在二维光子晶体中,频率范围内的光禁止在折射率呈周期分布的任意两个方向传播,而在另外一个方向上,其折射率均匀分布光可任意传输;三维光子晶体中,三个方向的折射率均呈现周期分布,一定频率范围内的光禁止传播。在传感和通信领域广泛应用的Bragg 光纤光栅就是一维光子晶体的典型例子。Thomas Krauss 在 1996 年拉制成功光学尺寸上第一个二维光子晶体光纤。1991 年首个人造三维光子晶体是由Yablonovitch 制作成功的,该光子晶体处于微波波段。

此后,众多的专家和学者开展了大量的实用技术研究,不断完善和提高理论分析与制造工艺,设计并制作出各种具有优良性能的新型光子晶体器件,如:高 Q 值1D 2D3D 微腔、通道复用/解复用器、线性波导、光开关、光放大器等,成为了近年来光学与光电子学研究的新热点。

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