基于全介质超材料的电磁属性，提出了一种基于硅缺口盘单谐振器的超表面微流传感装置；利用时域有限差分(FDTD)法进行仿真模拟，仿真结果表明，该结构可以产生三重Fano共振，包括可被入射光直接激发的明偶极共振以及非对称性结构下明暗模式干扰产生的一个高阶模式杂化共振和一个磁共振。另外，分析了结构参数(缺口长度和宽度、结构的周期、硅盘半径和厚度)对Fano共振的影响以及微流装置中分析物厚度对传感特性的影响，得到参数优化后的结构的灵敏度最大可达到400.36 nm/RIU，品质因数Q最大可达到1252.3，并证明了溶液厚度在一定范围内增大可以提升传感检测的性能。

基于Fano共振原理,提出光子晶体纳米梁侧耦合孔径啁啾光子晶体纳米梁腔结构。由光子晶体纳米梁所产生的宽的连续态与由光子晶体纳米梁腔所产生的窄的离散态干涉相消实现Fano共振。基于耦合模理论,定性分析该结构中Fano共振的产生机制,利用时域有限差分法对该结构进行模拟仿真,定量分析结构参数对折射率传感特性的影响,并对结构参数进行优化分析。结果表明,优化后的结构品质因子值可高达5.1×10 3,这将为集成光子晶体波导传感器件设计提供有效的理论参考和技术指导。

水体中的硝酸盐浓度过高不仅会造成水环境污染而且会对人类身体健康造成很大威胁, 传统的检测硝酸盐的方法检测时间长且操作复杂。 针对水体中硝酸盐氮难以快速在线检测的问题, 基于紫外吸收光谱, 提出了一种混合预测模型结合光谱积分快速定量检测水体中硝酸盐浓度的方法。 混合预测模型为低浓度样本建立的双波长法预测模型与高浓度样本建立的偏最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型数据融合之后的模型。 按照合适的浓度梯度配备了19组硝酸盐氮标准溶液, 通过实验测得不同浓度硝酸盐氮样本的光谱数据。 首先基于双波长法对所有样本进行回归分析, 按照A=A220-2A275计算不同实验样本的吸光度A, 其中A220和A275是220和275 nm处样本的吸光度, 将吸光度A与样本浓度值进行线性回归, 拟合出样本浓度的预测值。 结果显示当样本浓度较小时, 相关性很好, r为0.997 4, 随着实验样本浓度的上升, 曲线发生严重的非线性漂移, 因此双波长法只适合低浓度样本预测模型的建立。 对于高浓度样本, 光谱重叠严重, 适合建立非线性的预测模型, 支持向量机(SVM)与LS-SVM都适合小样本的非线性数据建模, LS-SVM预测精度稍高, 运算速度稍快。 通过对所有的实验样本进行全波长光谱积分, 比较相邻样本光谱积分的变化率可以筛选出样本的临界浓度值, 4 mg·L-1的硝酸盐样本积分值前后变化率最大, 因此选择4 mg·L-1作为临界浓度值较为合适。 浓度高于4 mg·L-1的实验样本建立LS-SVM预测模型, 通过交叉验证的方法选择出合适的参数, 正则化参数γ=50, 核函数选择高斯核, 核函数宽度σ２=0.36, 训练样本之后进行回归; 其余样本建立双波长法预测模型, 最后进行两种模型的数据融合, 形成从低浓度到高浓度的水体中硝酸盐浓度的检测。 为了验证混合预测模型的预测精度, 另外建立了SVM, LS-SVM, 偏最小二乘(PLS)等模型, 并求出r, 预测值与真实浓度值平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)对模型进行评价。 验证结果表明, 相比于SVM, LS-SVM和PLS等模型, 提出的混合模型回归的相关系数为0.999 86, 分别提高了1.8%, 1.6%和0.45%, 预测值与真实浓度的平均绝对误差为2.55%, 分别降低了6.27%, 4.49%和1.01%, 均方根误差为0.303, 为四种预测模型中最小, SVM与LS-SVM的相对误差相对较高, PLS模型相对误差上下波动比较大, 混合预测模型相对误差最为稳定, 并保持在较低水平, 由此可见混合预测模型的预测效果明显优于其他几种模型。 并与文献［5—7］中的测量方法进行对比, 该混合预测方法可以简单快速的测量水体中硝酸盐氮的浓度, 且不需要试剂, 无二次污染, 与文献[9]中的预测模型相比, 预测精度明显提高。 因此提出的混合模型可正确快速地预测水体中硝酸盐氮的浓度, 可为在线监测水体中硝酸盐浓度提供有效的技术参考。

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘级联结构。由圆盘级联形成的孤立态与金属挡板形成的较宽连续态干涉相长相消,形成了两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论,分析了该结构形成Fano共振的传输特性,采用有限元分析法对结构进行了模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性影响。根据折射率变化的物理机制,分析了温度和湿度在实际测量过程中对测量结果的影响,并采用差动传感的方法有效解决了传感过程中的交叉敏感问题。

基于表面等离激元在亚波长结构的传播特性, 提出了一种含矩形腔的金属-介质-金属(MIM)波导与T型腔耦合的结构。T型腔形成的较窄离散态与矩形腔形成的较宽连续态相互耦合, 经过干涉相消形成Fano共振。采用耦合模理论, 分析了Fano共振的形成机理; 运用有限元分析法对该结构进行模拟仿真, 分析结构参数对其折射率传感特性的影响。结果表明, 经过结构参数的优化, 其优质因子可达6.04×104, 灵敏度为1120 nm/RIU, 该研究结果可为光子回路的集成及纳米级传感器的设计提供理论参考。

基于表面等离子亚波长结构的传输特性与光子局域特性,提出了一种单挡板金属-电介质-金属(MDM)波导耦合圆盘腔结构。由圆盘腔形成的两个孤立态与金属挡板形成的较宽的连续态干涉相消,形成两种不同模式的Fano共振。结合耦合模理论分析了该结构形成Fano共振的传输特性,用有限元分析法对结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明:优化后的结构在两种模式下的优质因子分别为1.7×10 ⁵和1.36×10 ⁵,折射率灵敏度分别为710 nm/RIU和1105 nm/RIU,可为解决传感器在折射率测量时的交叉敏感问题提供理论参考。

基于波导光栅共振原理和古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论, 提出一种表面覆膜波导光栅传感结构, 并研究其共振光谱特性。 通过在光栅表面涂覆低折射率聚合物功能膜层优化其共振光谱特性, 选用多孔硅作为待测物承载单元, 可以使光学探针更充分地接触待测样本, 从而提高其检测性能。 根据波导光栅共振相位条件, 建立了共振波长和样本折射率之间的数学模型, 通过检测共振位置的改变进而对样本浓度进行检测。 研究表明, 该表面覆膜波导光栅传感结构具有线型对称和窄线宽的共振光谱特性, 可实现高品质因数(Q值)和高灵敏度的传感特性, 其Q值为1 488, 对折射率的检测极限可达5×10－4 RIU(RIU为折射率单位)。 通过检测不同浓度的葡萄糖溶液对其传感特性进行验证分析, 结果表明, 共振波长与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系, 对葡萄糖溶液的检测灵敏度为1.12nm/1%, 证明了该表面覆膜波导光栅传感结构的有效性, 可以用于对低浓度样本溶液的实时动态监测, 并为波长调制型光学折射率传感器的研究提供理论指导。

提出了一种亚波长金属光栅/电介质/金属混合波导传感结构, 在结构中可产生导模共振模式、表面等离子激元共振模式和局域表面等离子体模式, 模式之间互相耦合, 从而在反射光谱中形成两个窄带共振缺陷峰。通过研究共振缺陷峰处磁场分布和结构参数对反射谱的影响, 分析了结构中的共振模式。根据导模共振原理和表面等离子体共振形成条件, 建立共振缺陷峰波长与结构参数之间的关系模型, 通过观察共振缺陷峰波长的漂移实现待测样本气体浓度的动态实时监测。以多孔硅为传感载体、甲醛气体为待测样本, 分析传感器的品质因数和灵敏度。结果表明, 两个窄带共振缺陷峰的品质因数分别可达42.3 RIU-1和78.5 RIU-1, 灵敏度分别为466 nm/RIU和628 nm/RIU。

基于表面等离子亚波长结构的传输特性,提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。由金属双缝波导谐振腔形成的较宽的连续态波与由环形谐振腔形成的较窄的孤立态波耦合干涉相消,形成Fano共振。结合耦合波理论,分析了该结构形成Fano共振的传输及相位特性。采用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对结构慢光特性的影响,实现结构参数优化。结果表明,优化后的结构群折射率可达205。该结构能为集成等离子慢光器件的设计提供有效的理论参考。

基于波导耦合光栅的共振原理和多孔硅的光学传感特性, 提出一种含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感模型。根据古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论和波导耦合光栅共振的相位匹配条件, 建立共振波长与待测样本折射率之间的关系模型, 并分析了折射率传感结构的折射率传感特性。利用多孔硅高效的承载机制, 将其作为待测样本承载单元, 选用不同浓度的乙二醇溶液作为待测样本, 对该折射率传感结构的灵敏度和品质因数Q进行分析。结果表明, 该折射率传感结构对乙二醇溶液的灵敏度为2.2 nm/1%, Q值为226, 证明了该传感结构的有效性, 它可实现对低浓度待测样本的检测。