【摘 要】
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随着健康医疗智能化时代的到来,可穿戴式传感器等智能终端逐步普及,对光学传感技术提出了更高的要求,如何在实时无创的基础上提高传感器灵敏度、实现光学器件高度集成成为光学传感领域面临的首要问题。近年来,研究者针对以上问题开展了一系列研究。为了提高灵敏度,研究者基于超材料、二维材料等结合多种光学原理发展了多种光学生物传感器,但灵敏度仍未能满足需求;为了提高集成能力,研究者致力于设计可调谐光学生物传感器和正
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随着健康医疗智能化时代的到来,可穿戴式传感器等智能终端逐步普及,对光学传感技术提出了更高的要求,如何在实时无创的基础上提高传感器灵敏度、实现光学器件高度集成成为光学传感领域面临的首要问题。近年来,研究者针对以上问题开展了一系列研究。为了提高灵敏度,研究者基于超材料、二维材料等结合多种光学原理发展了多种光学生物传感器,但灵敏度仍未能满足需求;为了提高集成能力,研究者致力于设计可调谐光学生物传感器和正入射光学生物传感器,但是基于相变材料的可调谐光学生物传感器和基于金属栅格结构的正入射生物传感器的集成难度依旧很大。为解决上述问题,本文通过集成α-MoO3提高光学生物传感器的灵敏度,利用其天然各向异性的光学性质实现简易调谐,利用漏斗机制实现正入射光学生物传感器。本文的主要研究内容和成果如下:（1）拟合并验证了 α-MoO3在可见光波段的复折射率。复折射率是设计光学系统所必备的数据基础,只能通过实验获得。受限于现阶段α-MoO3制备工艺,无法通过常规实验方法获取α-MoO3复折射率。本文通过构建基于α-MoO3的法布里-珀罗（Fabry-Pérot,FP）谐振腔获取相关实验数据并基于此拟合出α-MoO3在可见光波段的复折射率,为后续光学生物传感器的设计做好准备。（2）将基于α-MoO3的FP谐振腔拓展为FP腔比色生物传感器。本文将α-MoO3集成于FP谐振腔腔室设计成非对称结构增强共振效果。该比色生物传感器检测灵敏度最高可达600 nm/折射率单位（Refractive index unit,RIU）,品质因数达到23.1,最高可分辨NaCl溶液约9‰的浓度变化,其检测灵敏度和品质因数均达到了同波段的较高水平,且结构简单易于集成,适用于低成本地快速生物检测。α-MoO3具有独特的各向异性的光学特性,通过改变该FP腔比色生物传感器的方向（或入射光的偏振角）即可实现调谐,从而更好地匹配人眼对光的敏感区间。（3）设计了基于α-MoO3/Au双曲超材料的高灵敏度可调谐生物传感器。通过α-MoO3和Au层叠设计类型Ⅱ双曲超材料,利用α-MoO3的高折射率将类型Ⅱ双曲特性推进至可见光波段,且实现主动调谐功能。双曲超材料的high-k模式可以激发强表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）进而增强古斯—汉欣（Goos and H（?）nchen,GH）位移,利用GH位移对折射率变化敏感的特性设计了双曲超材料生物传感器,在可见光波段实现106 nm/RIU量级的灵敏度,高于其它工作在可见光波段的基于GH位移的生物传感器。（4）利用α-MoO3替代黑磷（black phosphorus,BP）设计复合结构生物传感器。相较BP,α-MoO3能提供更高的功函数差,且具有良好的稳定性。基于α-MoO3/石墨烯复合结构的生物传感器,灵敏度更高,稳定性更好,在可见光波段实现调谐功能。最高相位检测灵敏度可达到1.5172×105 deg/RIU（Δn=0.0012）,高于其它工作在可见光波段的复合结构生物传感器。（5）基于α-MoO3设计纳米棱镜结构集成于光学生物传感器,实现正入射光激发SPR效应。利用漏斗机制将入射光引导至SPR效应发生的位置,可通过正入射光激发SPR效应。该正入射α-MoO3纳米棱镜生物传感器的灵敏度在可见光波段达到574 nm/RIU,尽管检测灵敏度并不高,但利用漏斗机制集成纳米棱镜这一思路可以用于其它高灵敏度SPR生物传感器。
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