基于對(duì)稱(chēng)金屬包覆波導(dǎo)的吸收傳感及電光雙穩(wěn)特性研究.pdf

1、對(duì)稱(chēng)金屬包覆波導(dǎo)(SMCW)結(jié)構(gòu)和三層全介質(zhì)平板波導(dǎo)一樣，由耦合層、導(dǎo)波層和襯底層組成，只是SMCW的耦合層和襯底層均為金屬薄膜。由于上下兩層金屬膜通常為金或銀等貴金屬，其介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)。而且在光頻范圍內(nèi)，實(shí)部是絕對(duì)值遠(yuǎn)大于虛部的負(fù)數(shù)，使得這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)擁有很多獨(dú)特的性質(zhì)。例如導(dǎo)模有效折射率存在范圍大，允許空間自由耦合，允許氣體和溶液等低折射率介質(zhì)作為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波層，允許導(dǎo)波層厚度擴(kuò)展到亞毫米尺度。所激發(fā)的超高階導(dǎo)模具有偏振不相關(guān)

2、性、慢波特性和場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)等。并且反射率對(duì)導(dǎo)波層的折射率、厚度和入射光波長(zhǎng)的變化非常靈敏。這些特點(diǎn)使SMCM在生化傳感器方面有很大的優(yōu)勢(shì)。
　　SMCW的衰減全反射曲線(ATR)表明，導(dǎo)波層介電常數(shù)虛部的微小變化，會(huì)導(dǎo)致反射率的最小值發(fā)生明顯的改變。并且發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)與耦合層(即上層金屬薄膜)厚度有關(guān)。如果耦合層厚度小于臨界厚度時(shí)，反射率最小值會(huì)隨著樣品吸收系數(shù)(即樣品介電常數(shù)虛部)增大，先減小至零，然后再反向增大；如果耦合層厚度大于

3、臨界厚度時(shí)，反射率最小值會(huì)隨著樣品吸收系數(shù)增大而一直增大。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，本文分析了一種新的吸收傳感方法，傳感原理是通過(guò)探測(cè)反射率最小值變化而檢測(cè)樣品參數(shù)變化。理論表明耦合層厚度越厚，反射率最小值曲線斜率越大，靈敏度也越大，但是傳感的范圍會(huì)越小，并且只有耦合層厚度大于臨界厚度時(shí)反射率最小值和吸收系數(shù)一一對(duì)應(yīng)。均衡考慮，實(shí)驗(yàn)中我們把SMCW的耦合層的厚度固定為臨界厚度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量亞甲基藍(lán)溶液濃度，證明樣品吸收系數(shù)分辨率可以達(dá)到1e-6。<

4、br>　　基于SMCW的ATR曲線隨導(dǎo)波層的折射率變化會(huì)左右移動(dòng)，即固定入射角和入射波長(zhǎng)，其反射率會(huì)隨導(dǎo)波層折射率或者厚度的變化而變化。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，本文提出基于SMCW的電光雙穩(wěn)態(tài)裝置。該裝置利用鈮酸鋰作為SMCW的導(dǎo)波層，將反射光中部分光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)通過(guò)放大器放大后加載在鈮酸鋰兩端面上，利用鈮酸鋰晶體的逆壓電效應(yīng)和電光效應(yīng)，形成電光反饋機(jī)制，通過(guò)模擬輸出光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之間的關(guān)系，在光強(qiáng)毫瓦量級(jí)內(nèi)獲得光學(xué)雙穩(wěn)特性曲線。數(shù)值計(jì)算表