【摘 要】
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随着微纳光子器件的发展,基于光学谐振腔的新型光学传感器件可保证传感器件在微型化、多功能、高集成度的条件下具备较高的检测性能,已经成为新型传感器的重要发展方向之一。Fabry–Pérot cavity(简称,F-P腔)作为光学谐振腔的一种,具有高品质因子、与腔内的物质具有较强的相互作用的特点,被广泛应用于新型传感领域。当耦合至腔内的材料具有自发辐射特性时,F-P腔通过Purcell效应增强或抑制自发
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随着微纳光子器件的发展,基于光学谐振腔的新型光学传感器件可保证传感器件在微型化、多功能、高集成度的条件下具备较高的检测性能,已经成为新型传感器的重要发展方向之一。Fabry–Pérot cavity(简称,F-P腔)作为光学谐振腔的一种,具有高品质因子、与腔内的物质具有较强的相互作用的特点,被广泛应用于新型传感领域。当耦合至腔内的材料具有自发辐射特性时,F-P腔通过Purcell效应增强或抑制自发辐射。当材料不具有自发辐射特性时,F-P腔对腔内介质的折射率进行检测。因此,本文结合开式F-P腔的此两种特点,在F-P腔内耦合具有温度传感特性的Pb Ti O3:6%Yb3+/2%Er3+稀土荧光材料(简称,PTO),实现折射率和温度传感检测。研究的具体内容和结果如下:(1)对开式F-P腔的主要特征参数进行分析。采用数值分析的方法研究反射率和腔长对开式F-P腔特征参数的影响规律,分析结果表明反射率越高F-P腔的品质因子(Q)和精细度(F)越大,腔长越小自由光谱范围(FSR)越大。在对开式F-P腔反射镜的设计中,依据光学薄膜设计理论,采用TFC膜系设计软件对全介质反射膜的反射特性进行仿真分析,其结果表明反射膜的反射特性受到膜料折射率和周期结构数目的影响,周期结构数目越多、膜料折射率差值越大,反射率越高反射带宽越宽。(2)采用FDTD仿真研究温度和折射率两种光传感机理。在温度仿真分析中,改变高反射膜的反射特性和腔长,对F-P腔增强PTO荧光材料发光的Purcell增强效应进行仿真,通过优化反射率和腔长得到最佳的Purcell增强系数为185;其次,改变腔层折射率对折射率传感进行仿真分析,折射率传感的理论灵敏度为385.7 nm/RIU。所设计的开式F-P腔光传感器的高反射膜系为S/(HL)10H/A,反射率:99.7%@661 nm,腔长为3.305μm。(3)研制了可对折射率和温度进行测试的开式F-P腔光传感器件。通过电子束热蒸发薄膜沉积技术对开式F-P腔的上下反射镜进行制备,得到反射率为99.5%的高反射镜;其次,采用旋涂法将分散至环氧树脂当中的PTO荧光材料旋涂至高反射膜表面,形成温度传感层;再通过紫外光刻技术对F-P腔的腔长进行调控,在传感层与上反射镜间形成3.355μm的折射率传感空间;最后通过设计的专用夹具进行封装,得到开式F-P腔光传感器,并对实际传感器结构参数进行测试和仿真分析。(4)完成了折射率和温度传感测试验证。在折射率传感实验中,计算其灵敏度为346.65nm/RIU,并研究了峰值波长漂移规律和重复性等性能进行了分析和讨论;在温度传感实验中,计算其灵敏度为0.113 cd/℃,并对光强的变化规律和重复性进行了分析和讨论。结果表明,所制备的开式F-P腔光传感器能够对折射率和温度进行检测。目前,所制备的开式F-P腔光传感器可在同一器件上实现折射率和温度传感测试,所制备的器件具有与微流控技术相结合的潜力,为实现折射率和温度双参数的同时测量奠定基础。
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