面向介入诊断的微纳光学力传感研究

来源 :长春理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huhf1984
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近年来,随着科学技术的飞速发展,人们对健康越发重视。人体内的压力是重要的生命特征之一,对其测量被广泛地应用在介入诊断中,作为医师判断患者病情的重要依据。因此,介入医疗领域对压力传感器性能要求更高。目前所使用的传统压电式传感器存在受电磁干扰、断开重连需要校零、扭矩有限、大漂移概率高等明显问题,而光学传感器不仅弥补了这些问题,还具有体积小、轻巧灵活、灵敏度高、精度高、稳定性好、漂移小、生物兼容性等优势,将会逐渐取代现使用的电学传感器,成为新一代介入诊断压力传感器,是现阶段科研人员研究的热点之一。目前常用的光学力传感器是基于光纤独有的特性作为传感或媒介。但随着人们对自身健康的重视以及全球精准医疗概念的提出,需要更小的体积传感器和低的成本传感系统。而表面晶格共振具有小体积(微纳尺寸)、抑制辐射损耗、场增强、窄线宽和高品质因子等特点,因此本论文基于表面晶格共振与Fabry–Pérot腔的强耦合,提出了基于强度解调的高灵敏度微纳力学传感器。为实现更小体积传感器和低成传感系统提供依据,为研究微纳光学力传感器奠定基础。本主要研究工作及结果如下:一、提出了在均匀称环境下采用非对称金属-介质-金属纳米柱阵列周期结构的表面晶格共振实现了品质因子为77,相比于对称周期(品质因子62)提高了24%,并对其几何参数进行了仿真优化,结果发现非对称周期并非都比对称周期品质因子高,值得注意的是这对于基于表明晶格共振的高品质因子传感器加工设计留下一定隐患。二、提出并研究了通过近场耦合的方式进一步提高晶格共振的品质因子达到86,提出了基于表面晶格共振的力传感机理,当纳米腔腔长L变化1 nm,相应的谐振波长移动42 nm,并对其几何参数进行了仿真优化,结果发现该结构的传感范围有限(纳米级别),为后面基于表面晶格共振与Fabry–Pérot腔的强耦系统的微纳力学传感器奠定了基础。三、提出并研究了表面晶格共振模式与光子Fabry–Pérot腔模式之间的强耦合系统,对强耦合系统进行分析,结果表明表面晶格共振模式可以和光子Fabry–Pérot腔模式每一阶进行强耦合(即奇阶和偶阶),在可见光波段劈裂能量达到153 me V,约为可见光波段共振能量的9.5%,并对其几何参数进行了仿真优化,并进行了设计加工,但实验结果并不理想,为基于强耦合的微纳力学传感器奠定了基础。四、提出了基于强耦合的微纳力学传感器。在之前的基础上简化了基于强耦合的微纳力学传感器结构,即表面晶格共振与Fabry–Pérot腔在均匀环境下的强耦合传感系统,结果表明该传感器劈裂能量达到225 me V,是共振能量的36%。对于低能量下的键合劈裂模式,电场增强系数为1673,是SLRs的2.5倍。当2D金纳米棒周期阵列与两个金腔镜的距离比为1:3放置时,结果表明表面晶格共振可以与奇数和偶数阶的Fabry–Pérot腔共振发生强耦合。其电场相比表面晶格共振增强了3倍,相应的增强系数为1935,而且电场的增强扩展到大部分Fabry–Pérot腔。使得传感器可采用强度解调,传感器灵敏度为9.132nm/kPa。
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