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

1、對稱金屬包覆波導(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)是一個復(fù)數(shù)。而且在光頻范圍內(nèi)，實部是絕對值遠大于虛部的負數(shù)，使得這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)擁有很多獨特的性質(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、慢波特性和場增強效應(yīng)等。并且反射率對導(dǎo)波層的折射率、厚度和入射光波長的變化非常靈敏。這些特點使SMCM在生化傳感器方面有很大的優(yōu)勢。
　　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，反射率最小值會隨著樣品吸收系數(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，反射率最小值會隨著樣品吸收系數(shù)增大而一直增大。根據(jù)這個特點，本文分析了一種新的吸收傳感方法，傳感原理是通過探測反射率最小值變化而檢測樣品參數(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，但是傳感的范圍會越小，并且只有耦合層厚度大于臨界厚度時反射率最小值和吸收系數(shù)一一對應(yīng)。均衡考慮，實驗中我們把SMCW的耦合層的厚度固定為臨界厚度。通過實驗測量亞甲基藍溶液濃度，證明樣品吸收系數(shù)分辨率可以達到1e-6。<

4、br>　　基于SMCW的ATR曲線隨導(dǎo)波層的折射率變化會左右移動，即固定入射角和入射波長，其反射率會隨導(dǎo)波層折射率或者厚度的變化而變化。根據(jù)這個特點，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轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柾ㄟ^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)，形成電光反饋機制，通過模擬輸出光強和入射光強之間的關(guān)系，在光強毫瓦量級內(nèi)獲得光學(xué)雙穩(wěn)特性曲線。數(shù)值計算表