太赫茲連續(xù)波成像及光子晶體光纖表面等離子體共振傳感研究.pdf

1、太赫茲波(terahertz wave，簡(jiǎn)稱THz)以其獨(dú)特的性質(zhì)在時(shí)域光譜技術(shù)、成像技術(shù)、通信技術(shù)、監(jiān)視與探測(cè)技術(shù)以及天文學(xué)等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，其中THz成像技術(shù)是THz應(yīng)用技術(shù)中最有發(fā)展前景的方向之一。隨著THz成像技術(shù)的發(fā)展，如何獲得簡(jiǎn)單、快速、價(jià)格低廉的THz圖像成為T(mén)Hz成像技術(shù)推廣的瓶頸。我們搭建了一套THz連續(xù)波點(diǎn)掃描成像裝置能夠有效解決上述問(wèn)題。
　　 在傳感技術(shù)中，基于光子晶體光纖表面等離子體共振(ph

2、otonic-crystal-fibersurface-plasmon-resonance，PCF-SPR)傳感器由于同時(shí)具備PCF的優(yōu)良傳輸特性以及SPR的高靈敏特性非常適合用于傳感。文章中選擇兩種結(jié)構(gòu)的PCF-SPR傳感器進(jìn)行模擬，并利用LMA系列PCF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
　　 本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)歸納如下：
　　 1.搭建了一套THz連續(xù)波點(diǎn)掃描透射成像裝置。采用逐點(diǎn)掃描方式進(jìn)行成像，記錄THz透過(guò)樣品后的強(qiáng)度信息并繪制

3、樣品的THz透射圖像。該系統(tǒng)不需要時(shí)間延遲裝置，不需要在掃描點(diǎn)上暫停，使得成像速度提高了很多；配合相應(yīng)的高精度二維電控平移臺(tái)，可以對(duì)不同尺寸樣品進(jìn)行成像；還可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行不同分辨率的THz成像。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，并且有快速的數(shù)據(jù)獲取能力和相對(duì)較低的成本，因此具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
　　 2.分析影響成像質(zhì)量的因素，對(duì)高質(zhì)量的THz連續(xù)波點(diǎn)掃描成像進(jìn)行研究。最終選擇THz波長(zhǎng)為118.8μm，樣品處光斑直徑

4、為1.8mm，電控平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)為0.25mm，此時(shí)可以獲得圖像的分辨率為0.4mm，成像質(zhì)量可以與THz焦平面陣列相機(jī)所成圖像相媲美。利用這套系統(tǒng)，我們對(duì)一些有代表性的樣品進(jìn)行對(duì)比成像，成像效果非常理想。
　　 3.對(duì)幾種常見(jiàn)的計(jì)算PCF的方法進(jìn)行介紹，重點(diǎn)介紹了有限元法(finiteelement method，F(xiàn)EM)。FEM能夠配合完美匹配層(perfectly matched layer，PML)對(duì)PCF-SPR傳感

5、器進(jìn)行計(jì)算。在典型結(jié)構(gòu)的PCF-SPR傳感器的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了大孔徑微流體通道的PCF-SPR傳感器。此種PCF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)易于拉制；由于增大了微流體通道的直徑，有利于金屬鍍膜的操作以及微流體的滲入；增大了待測(cè)樣品與金屬層的接觸面積，且界面更加靠近纖芯，易于實(shí)現(xiàn)等離子體模式與芯導(dǎo)模式的能量耦合，可以有效地測(cè)量微流體的折射率。
　　 4.在空氣芯光子帶隙型(photonic bandgap，PBG)PCF的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種

6、在空氣芯中填充甘油的液芯PCF-SPR溫度傳感器。由于甘油具有較高的折射率，這種設(shè)計(jì)將PCF的傳輸類型由PBG型改變?yōu)槿珒?nèi)反射型(total internalreflection，TIR)，大大拓寬了其通光范圍。在一定溫度范圍內(nèi)，甘油的折射率與溫度呈線性變化，可以通過(guò)測(cè)量透射光得知甘油此時(shí)的折射率，進(jìn)而可以檢測(cè)此時(shí)的環(huán)境溫度。這種設(shè)計(jì)充分利用了空芯PCF的大空氣孔，由于只需在中心大空氣孔中操作，使得鍍膜和填充液體更加簡(jiǎn)單，且鍍膜的均勻性

7、更加易于掌握。
　　 5.由于自行設(shè)計(jì)的PCF結(jié)構(gòu)復(fù)雜往往難以拉制，在微小的纖芯空氣孔中鍍納米量級(jí)的金屬膜以及微流體的滲入比較困難，連續(xù)寬帶相干光源難以實(shí)現(xiàn)等原因，目前對(duì)基于PCF-SPR傳感器大多還停留在理論研究階段。我們使用拉制技術(shù)比較成熟的NKT Photonics公司生產(chǎn)的LMA系列PCF進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，嘗試用多種方法在PCF包層空氣孔中鍍金屬膜，選擇溴鎢燈做為連續(xù)寬帶光源并實(shí)現(xiàn)光纖耦合輸出，用光譜儀探測(cè)輸出連續(xù)寬帶光的光