重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
介绍了一种基于绝缘体上硅（SOI）的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）型高灵敏度折射率传感器。在该传感器中采用悬空槽（SSlot）波导作为传感臂，条形波导作为参考臂，利用两臂不同模式之间的干涉提高传感器的灵敏度。分析了MZI型传感器的工作原理，推导了灵敏度公式，通过灵活调节两臂长度和合理设计SSlot波导，实现了9.824×104 nm/RIU的高灵敏度。该传感器还具有尺寸小、制造简单等优势，可广泛应用于生物医疗、环境监测等领域。
光谱学 硅光子学 折射率传感器 马赫-曾德尔干涉仪 灵敏度
1 武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430070
2 中兴通讯无线产品运营部，广东 深圳 518000
提出了一种少模光纤迈克尔孙干涉仪（MI）级联法布里-珀罗干涉仪（FPI）的游标增敏折射率传感器。少模光纤MI用作参考干涉仪，开放腔FPI作为传感干涉仪，解决了传统双FPI传感器的参考干涉仪制备复杂、可控性差的问题。仿真研究了单模-少模光纤错位量对少模光纤模式激发效率的影响，以及少模光纤长度对增敏倍数的影响。基于仿真优化参数制备了少模光纤MI-FPI传感器，并测试了其折射率响应特性，分析了增敏极限及限制因素。该传感器在1.3384~1.3412的折射率范围内的折射率灵敏度达到12466.956 nm/RIU（灵敏度单位），相对于无MI级联的单个FPI传感器提升了12.29倍，放大倍数可基于少模光纤长度灵活控制。该方法使传感器的增敏效果显著、增敏倍数可控、制备方法简单且光谱稳定性好，在折射率传感领域具有潜在的应用价值。
光纤光学 迈克尔孙干涉仪 少模光纤 模式反射 游标效应 折射率传感器 光学学报
2023, 43(19): 1906006
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
2 中北大学 软件学院, 山西 太原 030051
3 中北大学 信息与通信工程学院, 山西 太原 030051
4 岭南师范学院 物理科学与技术学院, 广东 湛江 524048
为了研究超表面结构的耦合及折射率传感特性，设计了一种由两种长度不同的纳米棒组成的二聚体结构，并研究该结构的透射光谱，共振峰处的电场和电荷分布以及结构参数对透射光谱的影响。本文采用有限元法对光学性能进行仿真分析，采用准静态逼近模型解释了平行双纳米棒结构的耦合机理。在共振波长上模拟电场分布,分析电子振动模式，在透射光谱中出现了不对称线型的双Fano共振。结果表明,双Fano共振是由纳米棒和衬底之间的耦合作用产生的，可以通过结构参数和周围介质的折射率来调控，且基于Fano共振的折射率灵敏度最大可达1.137 μm/RIU。这些研究结果为设计等离激元传感器提供了理论依据。
等离激元超表面 Au纳米棒 双Fano共振 折射率传感器 plasmonic metasurfaces Au nanorods double Fano resonance refractive index sensor
南京邮电大学电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院，江苏 南京 210023
在金属光栅覆盖分布式布拉格反射镜（DBR）双层结构中，利用金属与DBR交界面上的塔姆等离激元（TPPs）能够激发金属光栅狭缝内的表面等离激元（SPPs）的法布里-珀罗（F-P）谐振，由此产生的能量局域有助于感知狭缝内填充介质的折射率参数。为了进一步提升TPPs的激发效率，实现高灵敏度折射率传感，本文提出在金属光栅底部引入金属膜层构建金属光栅-金属膜-DBR的三层复合结构，采用有限元法分析了膜层厚度对复合结构透射谱线的定量影响。仿真结果显示，随着金属膜层厚度的增加，透射峰的谱宽单调减小，而峰值透射率呈现先增大后减小的变化趋势，在膜厚为12 nm时最大，相比无膜层结构，光谱峰值透射率提升约29%。在此基础上通过改变光栅占空比及金属光栅高度，分析了光栅狭缝中三到五阶类F-P谐振模对应的透射峰的传感性能指标。结果表明，随着占空比的减小，各阶谐振模透射峰的灵敏度显著增大。当选择占空比为60%时，四阶和五阶谐振透射峰的传感灵敏度分别升至171.20 nm/RIU（灵敏度单位）和178.35 nm/RIU。此外，改变金属光栅的高度可以实现折射率探测区间近乎线性移动，当光栅高度从900 nm增大到1200 nm时，基于三到五阶谐振模式的探测区间可以有效覆盖从1.00到2.27的折射率区间。本文的研究结果为利用TPPs进行折射率传感提供了一种有效的设计思路。
遥感与传感器 表面等离激元 塔姆等离激元 金属光栅 类法布里-珀罗谐振 折射率传感器 光学学报
2023, 43(14): 1428002
1 东北石油大学 物理与电子工程学院, 黑龙江 大庆 163318
2 香港城市大学 物理系, 香港 九龙 999077
为实现可调谐的多重Fano共振特性及设计高灵敏度折射率传感器，本文提出一种纳米环-七聚体金属-介电纳米天线结构，利用有限元方法（Finite Element Method, FEM）研究了Fano共振特性的影响因素和变化规律。研究表明，纳米环-七聚体金属-介电纳米天线的Fano共振特性对高度、入射角度和结构间隙的变化非常敏感；纳米天线的电场强度和电偶极源激发下的珀赛尔系数（Purcell factor, PF）可达134.74 V/m和3214，使得纳米天线中心位置附近的电场强度得到大幅增强；复合纳米天线结构具有较高的灵敏度S和品质因数FOM，分别为1400 nm/RIU和17 RIU−1，可作为评价高灵敏度折射率传感器的重要性能指标。本文为实现复合纳米天线结构中Fano共振的可调谐特性提供了一种可行途径，为表面增强拉曼散射、量子发射器和折射率传感器等实际应用奠定了坚实的理论基础。
纳米天线 折射率传感器 Fano共振 近场增强 nanoantenna refractive index sensor Fano resonance near-field enhancement 代小爽 1,2,3王双 1,2,3,*谭珂 1,2,3霍彤 1,2,3[ ... ]刘铁根 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
以多模光纤为基底来实现损失模式共振（LMR）折射率传感的灵敏度较低，在利用铟锡氧化物（ITO；In2O3和SnO2的质量分数分别为90%和10%）激发光纤LMR传感的基础上，在ITO薄膜上静电组装二氧化钛（TiO2）纳米粒子，实现折射率灵敏度的提升。使用Kretschman结构模型对传感器进行理论分析，仿真分析了LMR共振阶数与ITO薄膜厚度的关系，以及ITO作为LMR膜层实现折射率传感的可行性。通过在光纤侧壁磁控溅射ITO薄膜以产生LMR效应，制备ITO-LMR折射率传感器。通过折射率传感实验对ITO-LMR和TiO2-ITO-LMR两种传感器进行性能测试，在1.3333~1.3840的折射率变化范围内，TiO2-ITO-LMR传感器灵敏度可达1651.659 nm/RIU，相较于ITO-LMR折射率传感器，其灵敏度提升了3.058倍。
光纤光学 损失模式共振 折射率传感器 铟锡氧化物 二氧化钛纳米粒子 光学学报
2023, 43(10): 1006003
北京大学 物理学院, 人工微结构与介观物理国家重点实验室，北京 100871
本文研究了一维金属纳米狭缝阵列中磁表面等离激元的相干现象，并提出了一种双谷传感方法以提高灵敏度。与通常所采用的固定入射角度进行波长扫描的方式不同，本文采用固定波长改变入射角度的方式研究表面等离激元的相干现象。由于延迟效应的存在，随着周围介质折射率的变化，两个谷会向相反的方向移动。相比于使用单一谷进行标定的方式，两个相反方向移动的谷可以有效提高灵敏度。用于标定的两个谷单独的灵敏度最大分别为39.2°/RIU和102.4°/RIU，而双谷标定的总灵敏度可达141.6°/RIU。此外，狭缝介质与上层介质的折射率不一致对传感性能的影响很小，故其有广泛的应用前景。
表面等离激元 折射率传感器 相干 金属光栅 surface plasmons refractive index sensor coherence metal grating
1 中北大学 信息与通信工程学院，山西 太原 030051
2 中北大学 电气与控制工程学院，山西 太原 030051
3 中北大学 前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051
4 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原 030051
研究了基于波长调制的螺旋形塑料光纤（plastic optical fiber, POF）表面等离子体共振（surface plasmon resonance, SPR）折射率传感器。采用机械热压和扭曲法将塑料光纤制备成螺旋形，在螺旋形POF上通过磁控溅射蒸镀一定厚度（约50 nm）的金属薄膜来激励SPR效应，从而形成螺旋形POF-SPR传感器。通过对螺旋形POF-SPR传感器的结构进行修饰，研究不同结构参数对折射率传感特性的影响。实验结果表明：由厚度为500 μm扁平形POF扭制、螺纹数为4的螺旋形POF-SPR传感器具有较好的线性度和折射率传感特性，在折射率为1.335~1.400范围内测得的灵敏度为1 262 nm/RIU。该传感器具有成本较低、制备简单、结构稳定等优点。
塑料光纤 螺旋形 折射率传感 表面等离子体共振 plastic optical fiber spiral refractive index sensor surface plasmon resonance
Author Affiliations
Abstract
1 School of New Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
2 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
With the incorporation of noble metal materials, photonic crystal fibers (PCFs) could be performed as an effective platform for refractive index sensing of the filling analytes. Furthermore, by coating functional dielectric layers upon the metal surfaces, the resonance energy transfer is modulated from the core mode of the PCFs towards the surface plasmon resonance mode of the metals, and the sensing performance could be boosted. Here, considering that the exciton-plasmon coupling is efficient between perovskite quantum dots (QDs) and gold, a kind of CsPbBr3 QDs/Au bilayer coated triangular-lattice PCFs has been simulated numerically as the refractive index sensors. With the optimization of the QDs and gold layer thicknesses, together with the variation of the central hole size of the PCFs, in the refractive index (RI) region of 1.26 to 1.34, a rather narrow full width at half maximum (FWHM) of the loss spectra was achieved as 13.74 nm when the central hole size was 1.28 μm and the highest figure of merit was 63.79 RIU (the central hole size was 1.53 μm). This work demonstrates that the analyte identification accuracy was enhanced by FWHM narrowing of the loss spectra; in addition, taking the abundance of the material choice of perovskite QDs into consideration, more analytes could be detected effectively. Moreover, by adopting asymmetric structures, the sensitivity of the PCFs based refractive index sensors could be further improved.
Photonic crystal fibers perovskite quantum dots refractive index sensor narrow FWHM Photonic Sensors
2022, 12(3): 220309
