下载文档原格式
浅谈平面光波导的气体传感器的研究进展【摘要】本文详述了平面光波导传感器的概念、原理与研究现状，分析了其发展趋势，并对未来光波导传感器的发展前景进行了展望，光波导传感器凭借其灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、便于集成等优点，是未来开发低成本、高精度、高灵敏度传感器的最具发展潜力的传感器技术之一，特别是在大气环境监测方面，将起到越来越重要的作用。
【关键词】光波导；传感器；环境监测1.前言随着我国工业化进程的推进和人民生活水平的提高，工业废气、汽车尾气等的超标排放，严重污染了地球的大气环境，温室效应、酸雨、臭氧层破坏、灰霾和光化学烟雾等大气污染问题频发，大气环境的破坏直接影响着人类的生存和发展，大气环境形势日趋严峻。
因此，对大气环境进行监测的具有重大的意义。
传统现场采样、实验室分析的环境监测方法存在成本高、效率低等问题。
因此，基于传感器技术的在线式环境监测技术、现场快速监测技术及仪器成为了研究和应用的热点。
由于光波导传感器具有普通传感器的灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、便于集成等优点，成为了气体和生物传感器研究热点之一。
本文就平面光波导气体传感器技术的研究与应用现状进行综述，并对光波导传感器技术在大气环境中的应用前景进行了展望。
2.光波导传感器简介光波导系统是指由透光的介质如玻璃、氧化铟、氧化镁等组成的传输光频电磁波的引导结构。
光波导的原理是利用不同折射率材料界面所发生电磁波的全反射，使光波局限在波导结构及其周围有限区域内传播。
光波导在光通讯中已经起到了越来越重要作用，比较典型的就是光纤通讯。
采用光波导系统作为气体传感器的敏感元件，主要工作原理是利用光在波导层形成全反射进行传播时而产生的消逝波原理。
当在波导表面固定一层气体敏感薄膜时，消逝波就能渗入该敏感层。
被测气体和敏感薄膜产生了相互作用，从而改变了敏感薄膜的折射率、厚度、吸光率等参数及光的传播方式。
进而影响到渗入该层的消逝波的强度，从而影响到光波导输入光强的变化。
51,052304(2014)激光与光电子学进展Laser&Optoelectronics Progress©2014《中国激光》杂志社基于光子晶体波导的折射率传感器的灵敏度优化设计柯林佟陈卫业张洋李荣生沈义峰中国矿业大学理学院,江苏徐州221116摘要通过研究波导两侧缺陷处的折射率对二维光子晶体波导透射光谱的影响，提出一种提高折射率传感器灵敏度的方案。
计算结果表明光子透射带上边沿的偏移量与传感区折射率的大小存在一定关系，在相同的折射率变化量下通过改变波导两侧缺陷处圆孔的相关几何参数可极大提高光子透射带上边沿的偏移量，即提高折射率传感器的灵敏度。
通过优化设计，传感器的灵敏度由折射率变化区间0.0~1.0的55nm/RIU(RIU表示折射率单元)与1.1~2.0的36nm/RIU分别提高到对应的405nm/RIU以及222nm/RIU。
关键词光学器件；折射率传感器；灵敏度优化；光子晶体波导；光子带隙；时域有限差分法中图分类号O436文献标识码A doi:10.3788/LOP51.052304Optimizing Design for Sensitivity Improvement of Refractive Index Sensors Based on Photonic Crystal WaveguideKe Lintong Chen Weiye Zhang Yang Li Rongsheng Shen Yifeng Department of Physics,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,ChinaAbstract The transmission spectrum of a two-dimensional photonic crystal waveguide with edge defects of different refractive indexes(RIs)is analyzed,and accordingly a proposal to improve the sensitivity of RI sensor is put forward.The simulations and calculations show that the offset of the upper band edge of the transmission band is related to the RI of the analyte.For the same RI variation,the shift of the upper band edge of the transmission band can be greatly improved by changing the related geometrical parameters of holes at the defect area near both sides of the ly,the sensitivity of the RI sensor is enhanced.In this paper the sensitivity is respectively improved from55nm/RIU(RIU means refractive index unit)to405nm/RIU and36nm/ RIU to222nm/RIU corresponding to the range of the variation of RI(D n)from0.0to1.0and1.1to2.0after the optimizing process.Key words optical devices;refractive index sensor;sensitivity optimization;photonic crystal waveguide;photonic band gap;finite-different time-domain methodOICS codes230.5298;280.4788;130.5296；350.42381引言John等[1-4]于20世纪80年代提出了光子晶体这种新型材料的概念。
基于光学波导技术的传感器设计与优化一、背景介绍随着科技进步和社会发展，传感器技术已经得到广泛应用。
而光学波导技术就是其中的一种重要技术手段，通过在光学波导中嵌入传感材料，可以将待测量转化成光信号输出，实现对待测量的快速、高灵敏度检测。
因此，基于光学波导技术的传感器正在逐步普及和研发，其应用范围涵盖了化学、生物、环境、工业等多个领域。
二、光学波导传感器的优点与传统电气式传感器相比，基于光学波导技术的传感器具有高精度、快速反应、低噪声、无需电源和电磁干扰等优点。
其基本原理是通过一个具有高折射率的波导，使得待测物能够与波导中的光产生相互作用，从而改变波导中光的传输条件，通过对光的衰减、散射、偏转等参数变化，进而测量待测物的特征参数，如浓度、温度、湿度等。
光学波导传感器具有以下优点：1. 高灵敏度：基于光学波导技术的传感器灵敏度高，能够对微小的物理和化学变化做出响应。
2. 高精度：基于光学波导技术的传感器具有高精度，能够测量非常小的物理和化学变化。
3. 高速度：基于光学波导技术的传感器反应速度非常快，可以在极短的时间内进行测量。
4. 无需电源：基于光学波导技术的传感器无需电源，因此在使用和管理上更加方便，不用担心电池电量耗尽问题。
5. 低噪声：光学波导传感器没有电磁场，因此能够消除电磁干扰，传感器的测量结果会更加准确和稳定。
三、基于光学波导传感器设计与优化基于光学波导技术的传感器设计包括传感器结构设计、光波导设计、光源选择和光探测器选择等，这些因素都影响着传感器的性能参数如检测灵敏度、最小检测浓度等。
因此，在传感器设计时，需要针对不同的应用场景进行优化设计。
1. 传感器结构设计传感器的结构设计包括布局和晶体管膜厚度的选择。
为了保证传感器具有高度灵敏度和高度选择性，传感器晶体管的膜厚度应该根据不同的应用选择最优的厚度。
晶体管厚度越薄，灵敏度越高，但是选择范围会受到影响。
2. 光波导设计光波导设计是基于光学波导传感器的关键技术之一。
基于相位调控的超高透射声学超表面及其应用田野;左淑毓;程营;刘晓峻【摘要】声学超表面可以灵活有效地对声波进行调控,实现多种新颖的现象和功能,在诸多声波调控领域有潜在的应用前景.该文引入了一种镀膜型迷宫结构单元,可以提供全范围(0～2π)的突变相位,具有高效的透射率(～100％)和较好的鲁棒性.基于相位调控,可利用镀膜型迷宫结构单元构建出超高透射超表面,实现异常声折射、声聚焦、声束沿任意凸轨迹弯曲传播以及声成像等应用.【期刊名称】《应用声学》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】10页(P691-700)【关键词】超表面;声波调控;相位调控;迷宫结构;高透射【作者】田野;左淑毓;程营;刘晓峻【作者单位】南京大学物理学院南京 210093;南京大学物理学院南京 210093;南京大学物理学院南京 210093;南京大学物理学院南京 210093【正文语种】中文【中图分类】O421 引言作为低维化的声学超材料[1]，声学超表面近年来逐渐得到了人们的广泛关注[2]。
声学超表面一般是由多种微结构单元按特殊序列排列在一起形成的具有亚波长厚度的平面型超材料体系，它可以灵活有效地对声波进行调控，实现多种新颖的声学现象和功能。
相对于体积型声学超材料，声学超表面具有结构简单、紧凑、效率高、体积小、易加工等特点。
目前声学超表面研究主要集中在反射调控、透射调控以及吸声等三个领域[2]。
对于透射超表面，目前已经实现了异常折射、负折射、体波向表面波转换、声束自弯曲、超稀疏隔声、生成螺旋声场、多路复用信号传输、声成像、模拟数学运算、非对称传输、全向通风声屏障等诸多功能和应用[3−16]，在医疗、通信、检测、军事乃至国计民生的各方面均具有广阔的应用前景。
随着广义折射定律理论的提出[17]及其向声学领域的拓展[18−19]，相位调控已成为声学超表面研究的重要手段。
因为结构相对简单、易加工等特点，迷宫结构单元可实现透射声学超表面的相位调控[3−4,11]。
专利名称：一种球面声波转成柱面声波的声学波导专利类型：实用新型专利
发明人：刘善延
申请号：CN201520837548.1
申请日：20151027
公开号：CN205092056U
公开日：
20160316
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种球面声波转成柱面声波的声学波导，包括一组配合使用的上、下壳体，壳体内设有供声源传播的波导通道，在波导通道内设有波阵面校正装置，波阵面校正装置包括安装于下壳体内的凸几何体和与凸几何体相配合使用并对应嵌设于上壳体上的凹几何体，凹几何体为底部开口、内部中空且与凸几何体的形状结构相一致；凸几何体以垂直于波导通道的直线作为中心对称轴、并在中心对称轴的两边对称设置第一导向面和第二导向面，第一导向面、第二导向面及第一导向面与第二导向面之间的几何面光滑连接且一体成型。
采用上述设有波面校正装置的声学波导应用于音箱设备中，能显著提高声音的保真度，还能实现远距离传声，结构简单、实用性强。
申请人：刘善延
地址：535416 广西壮族自治区钦州市灵山县陆屋镇新营村委会新西村
国籍：CN
代理机构：桂林市持衡专利商标事务所有限公司
代理人：苏家达
更多信息请下载全文后查看。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201922292246.1(22)申请日 2019.12.19(73)专利权人 北京交通大学地址 100044 北京市海淀区西直门外上园村3号(72)发明人 井亚超 范国芳 李源 王目光 张泽平 王荣伟 (74)专利代理机构 北京市诚辉律师事务所11430代理人 杨帅峰(51)Int.Cl.G01D 5/26(2006.01)G01B 11/02(2006.01)G01B 11/16(2006.01)G02B 6/10(2006.01)B81B 3/00(2006.01)(54)实用新型名称一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构(57)摘要本实用新型公开了一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其基于对接波导间的耦合与失准原理，结构包括输入波导、缓冲层、悬臂梁波导和输出波导。
其中输入波导进行输入光接收并进行光传输，之后与悬臂梁波导进行耦合，光在悬臂梁波导中进行传输并经过一个间隙由输出波导接收，由输出波导输出最终光功率。
结构中在输入波导与悬臂梁波导连接处添加缓冲层，缓冲层沉积于悬臂梁波导上并与输入波导芯层对接，可以有效缓解光在输入波导与悬臂梁波导连接处的耦合突变，减少光在连接处的功率损耗，提高传感器的检测灵敏度，并且具有结构简单，灵敏度高，易集成，稳定性好等优点。
权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 210893173 U 2020.06.30C N 210893173U1.一种基于悬臂梁结构的改进光波导传感器结构，其特征是，该结构包括：输入波导，缓冲层，悬臂梁波导与输出波导，输入波导接收输入光信号并进行传输，到达缓冲层处，在缓冲层内传输时同时与悬臂梁波导进行耦合，之后光沿着悬臂梁波导进行传输，光到达悬臂梁波导末端后经过一个间隙后被输出波导捕获，最后在输出波导中传输并由输出波导输出最终的光功率，当悬臂梁波导上下表面产生应力差时会导致悬臂梁波导发生末端偏转从而使悬臂梁波导与输出波导间的耦合光功率下降，通过检测输出光功率的变化间接检测悬臂梁波导表面的受力情况。
基于平面波导激励的修正长程表面波的传感器研究刘瑾;杨海马【摘要】为了解决传统的强度检测型波导激励的表面等离子体共振传感器灵敏度不高的缺点,研究平面波导激励的介质膜-金属-被测介质的可激发修正的长程表面等离子体波结构.采用离子交换的方法制备折射率可用费米函数拟合的平面波导,研究了离子交换时间对平面波导的模数及等效折射率等特性的影响,为激励波导的优化设计提供有效依据.采用制备的平面波导激励介质膜-金属-被测介质的非对称结构,研究金属材质、介质膜厚和金属膜厚等因素对修正的长程表面等离子体波特性的影响,对被测溶液的折射率进行检测.实验结果表明,其灵敏度为传统的强度检测型表面等离子体共振传感器的6倍,并且具有较好的线性关系.%Sensitivity of the waveguide surface plasmon resonance sensor based on intensity detection method should be improved.Modified long range surface plasmon wave,which is excited by the planar waveguide in the dielectric film-metal film-testing dielectric structure,is studied.Method of ion exchange is used to prepare the planar waveguide whose refractive index can be fitted by the FERMI function.Influences of ion exchange time on the modulus and equivalence refractive index are studied,thus the effective basis for the optimization design of the waveguide is provided.An asymmetry structure of dielectric film-metal film-testing film is excited by planar waveguide,and influences of metal material,the thickness of dielectric film and metal film on the characteristic of long range surface plasmon wave are researched.Experiments are realized to detect the refractive index of solutions.Results show that sensitivity of this method is about 6 times thatof traditional surface plasmon resonance sensor's,and has a good linear relationship.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)002【总页数】6页(P246-251)【关键词】长程表面等离子体波;平面波导;灵敏度【作者】刘瑾;杨海马【作者单位】上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 201620;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TN252表面等离子体共振(SPR, surface plasmon resonance)传感技术目前在生物学、化学、制药、医学、环境监测以及食品安全等很多领域得到了广泛的应用[1-4]。
