新型耦合方式实现高灵敏度光波导型多孔硅生物化学传感器

论文摘要

本文详细、深入地分析了当前基于光学结构的生物化学传感器的研究现状,探讨了生物化学传感器的发展简史以及传感材料的发展历程。基于这些调研,本文着重于光波导型生物化学传感器的研究,调查分析了当前光波导型生物化学传感器的研究现状,结合当前极具研究价值以及存在极大应用潜力的新型生物化学传感材料——多孔硅,提出了3种采用新型耦合方式实现的高灵敏度光波导型生物化学传感器结构。本文针对所提出的3种基于新型耦合方式的光波导型生物化学传感器结构,由结构各自的特性出发,从理论基础上对其各自的耦合原理进行了分析阐述。同时,结合当前比较成熟的理论算法如严格耦合波算法,建立了3种结构各自的计算机仿真模型,并基于此仿真模型,对3种结构的传感特性、耦合模式特点、灵敏度特性等方面展开了详细、深入的分析研究。给出了3种结构各自的结构设计步骤或者指导思想。本文还针对3种结构提出了各自的制备工艺介绍,并合理地结合实验对仿真结果给出了实验验证。本文针对多孔硅的材料特性,提出了3种结构各自的传感模型。基于这些传感模性,本文指出了多孔硅材料相较于其他材料传感的灵敏度优势,从而揭示出多孔硅传感器巨大的传感性能潜力以及极大的应用前景。最后,本文对基于多孔硅材料的采用新型耦合方式的光波导型生物化学传感器结构的研究前景提出了作者自己的见解。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 波动光学的发展简史
• 1.3 光学生物检测技术发展现状
• 1.3.1 表面等离子体谐振型（surface plasmon resonance, SPR）生物化学传感器
• 1.3.2 干涉器（interferometer）型传感器
• 1.3.3 光波导型（waveguide, WG）传感器
• 1.3.4 环形振荡器型（optical ring resonator）传感器
• 1.3.5 光纤型（optical fiber）传感器
• 1.3.6 光子晶体型（photonic crystal, PC）传感器
• 1.4 多孔硅材料在光学生物检测技术中的应用
• 第二章 光栅耦合光波导的理论分析与仿真实现
• 2.1 光栅耦合波导型生物化学传感器的介绍
• 2.2 光栅耦合波导传感器的理论推导
• 2.3 基于RCWA 耦合光波导理论的Matlab 程序实现
• 2.3.1 单光栅耦合光波导模型的Matlab 编程实现
• 2.3.2 严格耦合波方法Matlab 程序的验证
• 2.4 光栅耦合波导结构的传感仿真
• 2.4.1 光栅耦合光波导传感器传感原理简介
• 2.4.2 多孔硅光栅的传感效率分析
• 2.5 单光栅耦合光波导的传感特性
• 2.5.1 衍射耦合模特性
• 2.5.2 传感器灵敏度特性
• 2.5.3 耦合模式信噪比特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 多光栅耦合光波导传感器
• 3.1 多光栅耦合光波导传感器的背景介绍
• 3.1.1 多光栅耦合光波导结构的制备工艺介绍
• 3.1.2 多光栅耦合光波导结构的可行性分析
• 3.2 多光栅耦合光波导结构的RCWA 仿真实现
• 3.3 多光栅耦合光波导结构的传感特性分析
• 3.3.1 衍射耦合模灵敏度
• 3.3.2 衍射耦合模变化趋势
• 3.4 多光栅耦合光波导传感器制备结果
• 3.5 多光栅耦合光波导传感器设计方法探讨
• 3.5.1 光源选择
• 3.5.2 介质层折射率选择、光栅结构参数选择
• 3.5.3 选择反射角谱中模式角度的大致位置
• 3.5.4 各层结构厚度的选择
• 3.5.5 仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 直接耦合光波导传感器
• 4.1 直接耦合光波导传感器的研究背景
• 4.2 直接耦合光波导传感器原理
• 4.2.1 自由空间直接耦合原理
• 4.2.2 直接耦合光波导传感器传感原理
• 4.3 传感器灵敏度特性分析
• 4.3.1 功率束缚因子
• 4.3.2 模式角度偏移方法的传感灵敏度特性
• 4.3.3 反射光强偏移方法的传感灵敏度特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 主要工作与创新点
• 5.2 后续研究工作
• 5.2.1 多光栅耦合光波导结构实验论证
• 5.2.2 多光栅耦合光波导传感器传感模型实验论证
• 5.2.3 光栅耦合光波导结构的进一步研究
• 5.2.4 光波导传感器结构的集成化
• 参考文献
• 附录1
• 附录1.1 通用函数
• 附录1.2 单光栅耦合光波导结构程序
• 附录1.3 多光栅耦合光波导结构
• 附录1.4 直接耦合光波导结构
• 附录2
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文