基于法诺共振的微毛细管折射率传感器

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在光学微腔研究领域,回音壁模式(WGM)微腔的小模式体积、高品质因子等优点,使其在激光器、滤波器、传感器等领域具有很高的应用价值。尤其是对于微毛细管谐振腔来说,由于微流体可以通过管内通道传输,便于微流体集成,从而使其在生化传感领域具有显著优势。而近年来,相对于传统的微腔WGM共振谱线,具有非对称线形的法诺(Fano)共振也开始受到人们的关注和研究。本文主要研究了基于Fano共振的微毛细管折射率传感器。首先介绍了 WGM微腔的几个基本参数,包括共振波长、品质因子、自由光谱范围、精细度和模式体积等;从麦克斯韦方程出发,得到了柱坐标系下的电磁场波动方程,经过推导得到环形微腔的WGM径向分量本征方程,并简单分析了微腔内各参数变化对于共振波长的影响。然后基于柱坐标系下的电磁场波动方程,得到了锥形光纤基模的传播常数随直径的变化关系,简单讨论了微腔耦合锥形光纤的相位匹配条件;对理想情况下的微腔耦合波导模型进行了讨论,并对液芯微管的品质因子进行了分析;介绍了微毛细管传感器的性能参数,分析了各方面因素对于传感灵敏度的影响,包括工作波长、偏振态、外径、壁厚以及径向模数等,并讨论了温度干扰情况下的波长偏移。首次发现了一种基于细锥形光纤和单个微腔耦合的Fano共振产生机制,在理想耦合模型中加入损耗和相位偏移,得到了微腔耦合锥形光纤的Fano共振传输谱,并引入了参数N和φ来表征Fano共振;通过微毛细管耦合实验,首次发现了液芯微毛细管的Fano共振现象及其演化,实验结果与理论仿真结果可以实现较好的匹配;利用高阶Fano共振模式进行传感实验,可以得到高灵敏度(~800nm/RIU),同时还能实现较高的传感质量因数(FoM,~4100),从而提高生化传感的整体性能。
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