香港大学物理系新基石科学实验室，香港 999077
耦合等离激元体系在光场调控、光学传感、光学成像及光电器件等领域中有着广泛应用。目前，阻碍耦合等离激元进一步实用化发展的关键问题是金属材料具有较大的损耗。结合数值仿真方法，从理论上研究了耦合等离激元的损耗机理，并进一步分析复频率光源激励对耦合等离激元体系的作用，提出了通过合成复频率波的方法来补偿损耗，从而恢复被削弱的耦合共振信号。所提优化手段具有泛用性高且无需额外成本的优势，研究结果对耦合等离激元体系在各个领域中的研究发展具有借鉴意义，有利于挖掘该体系的潜在应用价值。
物理光学 纳米光学 等离激元 复频率波 光学传感 光学学报
2024, 44(10): 1026019
1 北京邮电大学 电子工程学院， 安全生产智能监控北京市重点实验室， 北京 100876
2 解放军总医院第三医学中心 放射诊断科， 北京 100039
实时便捷的pH检测对于环境监测和医学诊断等领域具有重要应用价值。本文通过溶胶?凝胶法制备了一种比率荧光毛细管pH传感器。该传感器以2.8?羟基芘?1，3，6?三磺酸三钠盐（8?hydroxy?pyrene?1，3，6?trisulfonate，HPTS）作为pH敏感的荧光探针，利用HPTS与十六烷基三甲基溴化铵（hexadecyl trimethyl ammonium bromide，CTAB）结合形成HPTS?IP离子对，然后将离子对分散于溶胶?凝胶中，并将其固定于毛细管内壁即制得比率荧光毛细管pH传感器。该传感器利用HPTS在双激发带下的发射强度比值实现比率荧光检测，当pH从5.0上升至8.0时，HPTS的荧光强度比率随pH值增加逐渐增强，pKa值为6.95，通过分析HPTS的比率荧光强度变化可间接监测pH波动。该传感器具有较好的pH敏感性、稳定性和可逆性，且可快速、灵活、便捷地进行实际操作，在环境保护和生物医学领域的pH监测分析方面拥有良好的应用前景。
荧光探针 光学传感器 pH检测 毛细管 比率荧光 fluorescence probe optical sensor pH detection capillary ratiometric fluorescence
西安科技大学安全科学与工程学院，陕西 西安 710054
铁路已成为我国交通运输的大动脉，地理条件的多样性使得铁路隧道分布较多。针对铁路隧道的结构安全监测方式诸多，然而传统的监测方式均存在一定的局限性。基于当前研究热点——光学传感，将精度优良、经济可行性较高的光学视频位移计和光纤布拉格光栅传感技术有机结合，应用于运营期铁路隧道的安全监测。通过分析静态、通车等情况下的监测数据，结合仿真模型，初步探讨光学传感应用于运营期铁路隧道监测的可行性，旨在为相关工程技术研究提供参考和借鉴。
光学传感 光学视频位移 光纤光栅传感 隧道监测 仿真模型 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2312006
1 中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 香港中文大学 机械和自动化工程系，香港999077
二氧化碳（Carbon dioxide， CO2）是大气中最主要的温室气体，具有大气本底浓度高而年变化量小的特点。因此，对其浓度进行高精度的监测是实现“双碳”目标的重要环节。本文基于连续波光腔衰荡光谱技术，搭建了一套探测灵敏度低至ppb的CO2气体传感装置。系统中选取了中心波长为6 251.760 cm-1的CO2吸收线、设计了超高精细度（>300 000）的石英玻璃型法布里-珀罗谐振腔和高性能的温度、压力控制模块。腔内气体的温度和压力在24 h的变化量分别小于0.07 ℃和15 Pa。Allan方差的结果显示，系统在303 s的最佳积分时间下，可获得0.7×10-12 cm-1的检测限，对应的CO2最低可检测浓度为1.6 ppb。在较大的CO2浓度范围内，系统响应的线性相关系数为0.999 94。最后，系统以10 s的响应时间，对大气中的CO2浓度进行了2天的连续观测，其结果与商用仪器（Picarro， G2401）的监测数据高度一致，排除人体呼气干扰后的相对偏差优于6‰。该系统具有结构简单、成本低、灵敏度极高的特点，在痕量气体监测领域将具有广阔的应用前景。
CO2探测 光学传感 光腔衰荡光谱 极高灵敏度 CO2 detection optical sensing cavity ring-down spectroscopy ultra-high sensitivity 光学 精密工程
2023, 31(20): 2921
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
随着光子材料和光子器件在可穿戴技术、智慧医疗、仿生机器人等新兴应用领域的不断拓展，研制具有优异机械柔韧性、生物相容性甚至生物可降解性的光子器件日益重要。为同时实现优异的光学性能和生物力学性能，柔性光子器件从材料合成、结构设计、功能实现到工艺制备等诸多方面亟需探索。其中，有机聚合物因其质地轻柔、生物相容性好、合成可控、结构功能易于改性等优势，被认为是制备柔性光子器件最具竞争力的材料之一。一系列新型的功能性有机光子器件，如光波导、衍射光栅、光子晶体等被相继被报道。本文综述了近年来柔性有机聚合物光子器件的研究进展，总结和分析了现有技术、方法和应用，并对未来的挑战和前景进行了讨论和展望。
激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316002
1 南华大学电气工程学院超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001
2 南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001
数值研究了由同心C3型孔和圆环孔单元结构组成的复合超表面在近红外波段内的表面等离子体三重法诺共振效应与光学传感现象。研究结果表明，通过改变C3单元结构的对称性破缺不仅能够诱导产生可调的多重法诺共振效应，还能构建基于该效应的自参考光学传感。此外，通过改变圆环单元结构的内半径能够实现基于法诺凹陷深度的辐射监测传感。该研究为设计紧凑、可调谐的法诺共振光子器件提供了新的视角，同时可将周期性亚波长金属纳米结构扩展至生物传感和光通信领域的相关应用。
光电子学 表面等离子体光子学 表面等离子体 光学传感和传感器 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0925001
1 中国矿业大学地下空间智能控制教育部工程研究中心，江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116
基于Fano共振超表面所具有的高品质因数以及电场局域特性设计了一种全介质超表面结构，探究了超表面结构参数与品质因数、调制深度之间的关系。通过改变结构实现了单重Fano共振至双重Fano共振的有效调控。对比同等参数下矩形柱与椭圆柱超表面结构的灵敏度，选择矩形柱结构并确定其最优参数。矩形柱超表面结构的品质因数最大可达3408，双重共振峰的调制深度接近99%。通过仿真计算可知该结构对甲烷体积分数的测量灵敏度可以达到（对应dip1）和（对应dip2），对背景折射率的测量灵敏度为和，FOM（figure of merit）值分别为和。此外，入射光偏振角度对此传感结构的Fano共振透射光谱强度具有一定影响，这一特性为光学非对称传输、偏振角检测以及超表面多功能复用等提供了新思路。
传感器 Fano共振 全介质超表面 甲烷传感器 偏振敏感 光学传感器 中国激光
2023, 50(10): 1010001
1 西北大学 信息科学与技术学院，西安 710127
2 西北大学 物理学院，西安 710127
随着生物传感器应用的日益广泛，对新型生物传感器的开发已成为世界科技发展的重要战略。作为直接宽禁带半导体的氧化锌（ZnO），因具有无毒性、生物相容性良好、物理化学性能稳定等优异性能而被应用于电子器件、光电子器件、生物传感器等领域，尤其基于纳米ZnO的生物传感器研究已成为防疫和医疗领域的一个新热点。本文介绍了目前纳米ZnO的几种主要制备方法（包括水热法、磁控溅射法、溶胶凝胶法和原子层沉积法等）及其优缺点，对比分析了所制备ZnO的优异性能尤其增强性能的方法（如优化工艺、掺杂、复合、异质结等）。着重阐述了纳米ZnO材料在生物传感器领域的应用，根据其信号处理元件的工作原理不同，将ZnO纳米材料所制备的生物传感器分为电化学生物传感器、光学生物传感器、压电生物传感器、热学生物传感器等，分别详细介绍了其结构、工作原理及其对生物检测的突出性能与发展现状。最后，对纳米ZnO生物传感器目前所面临的挑战和未来的发展趋势进行了总结和展望。
氧化锌 生物传感器 纳米材料 光学传感器 电化学传感器 Zinc oxide Biosensors Nanomaterials Optical sensors Electrochemical sensors 光子学报
2022, 51(10): 1016001
1 东北林业大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150040
2 上海新跃联汇电子科技有限公司，上海 200233
提出了一种由对称的类H型谐振腔和独立枝节组成的表面等离子体金属‐绝缘体‐金属（MIM）波导结构。利用有限元分析法研究了该结构的Fano共振及其光学传感特性。结果表明，该结构可实现Fano共振，最大折射率灵敏度和品质因数分别为1078.33 nm/RIU和1259.2。同时，研究了结构几何参数对Fano共振的影响，并进一步实现了Fano共振线型和波长的独立调节。所提出的等离子体MIM波导结构在集成光子器件和纳米光学传感领域具有潜在的应用前景。
表面光学 表面等离子体激元 Fano共振 光学传感 有限元分析法 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2124002
1 中国科学院新疆理化技术研究所 新疆爆炸物安全科学自治区重点实验室，乌鲁木齐 830000
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
非制式爆炸物因原料易得、破坏性大等特点，已成为暴恐分子施爆的首选方式。目前，国内外针对光学传感2，4，6-三硝基甲苯、2，4-二硝基甲苯等制式爆炸物的研究已经相对成熟，而对于非制式爆炸物，因其具有与制式爆炸物完全不同的本征特性，如多为不挥发离子晶体、分子构型差异巨大等，难以通过光学传感制式爆炸物的原理对其分析与识别，成为国际反恐的棘手难题。因此，针对非制式爆炸物的特性，设计特异性光学传感材料、提出光学信号增强策略、建立现场识别超痕量非制式爆炸物的有效方案，是实现追踪非制式爆炸物源头、截断非制式爆炸物转移路径与炸后残留定性分析的迫切需求。本文从光学传感的本质出发，系统总结了传感材料的设计方法和比色/荧光传感非制式爆炸物模式的发展趋势，旨在为光学传感非制式爆炸物领域提供思路和借鉴。
爆炸物 单颗粒 比色 荧光 光学传感 Explosive Single microparticle Colorimetric Fluorescence Optical sensing
