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基于微毛细管的光微流体生物传感器研究

作　者: 李海伟
导　师: 江俊峰
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 微毛细管回音壁模式生物传感器时域有限差分算法折射率
分类号: TP212.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 142次
引　用: 1次
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内容摘要

基于回音壁谐振模式(WGM)的光学微腔生物传感器灵敏度高,体积小,能对微量生物化学分子进行无标记检测,具有重要的研究价值和很好的应用前景。本论文基于微毛细管建立光微流体生物传感器,进行了微管传感模型理论推导,采用时域有限差分算法进行了微环传感器的数值模拟和分析,搭建实验系统进行了微流体传感初步检测实验。完成的主要工作如下:基于耦合模式理论,研究直波导和微管的耦合性质,建立微管传感的理论模型,得到微管结构的性能参数如谐振波长、自由光谱范围FSR、品质因子Q、峰值半高宽等。从麦克斯韦方程组出发推导柱坐标下微毛细管中的电磁场分布方程,根据径向电场分布曲线,得出微毛细管内外半径和折射率之间应该满足的关系。推导微管谐振腔的耦合解析模型,为增强透射谱下陷深度,提出三种互耦合结构:在直波导耦合区植入光栅,在微管壁植入光栅以及双管结构。理论分析了光栅和双管的互耦合作用。利用Fullwave软件对微管谐振器理论模型进行数值模拟,研究各参数变化之间的关系,计算了微腔的径向以及周向电场分布图样。进行了光栅参数以及同心环参数设计和仿真。利用ZF13棱镜经倏逝场激发微毛细管WGM模式,搭建了微流体生物传感装置,向微毛细管中注入不同浓度的乙醇溶液改变有效折射率,从而使谐振波长发生漂移。通过对不同波段的光波在不同入射角度的实验结果进行分析,得到相应灵敏度。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 引言  8-9
  1.2 WGM 模式微腔生物传感器研究进展  9-13
    1.2.1 微球腔光学生物传感器的研究进展  10
    1.2.2 微盘腔光学生物传感器的研究进展  10-11
    1.2.3 微环腔生物传感器的研究进展  11-13
  1.3 微管生物传感器  13-14
  1.4 本论文的主要工作  14-16
第二章微管WGM 模式谐振理论  16-37
  2.1 耦合模型基础分析  16-18
  2.2 谐振腔的性能参数  18-20
    2.2.1 谐振波长  18-19
    2.2.2 自由光谱范围  19
    2.2.3 谐振峰半高宽  19
    2.2.4 精细度与品质因子  19
    2.2.5 环腔谐振增强值  19-20
  2.3 微管电磁场分布计算  20-28
    2.3.1 无源介质波动方程  20-21
    2.3.2 微腔电磁场分布  21-28
  2.4 微腔WGM 谐振耦合模时间模型  28-34
    2.4.1 基本模型  28-30
    2.4.2 互耦合模型  30-34
  2.5 棱镜微管耦合模型  34-35
  2.6 本章小结  35-37
第三章谐振腔的数值模拟  37-54
  3.1 时域有限差分算法(FDTD)  37-41
    3.1.1 FDTD 算法简介  37-39
    3.1.2 Fullwave 设置  39-41
  3.2 FDTD 数值模拟过程  41-50
    3.2.1 谐振态  42-43
    3.2.2 不同波段的FSR  43-44
    3.2.3 耦合效率的FDTD 计算  44-45
    3.2.4 折射率改变对谐振峰的影响  45-47
    3.2.5 微腔谐振图样  47-50
  3.3 互耦合结构模拟  50-53
    3.3.1 波导光栅模拟  50-51
    3.3.2 管壁周向光栅互耦合结构模拟  51-52
    3.3.3 同心圆环互耦合结构模拟  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章棱镜微管耦合系统搭建与结果分析  54-62
  4.1 棱镜微管耦合系统搭建  54-56
  4.2 实验结果分析  56-61
    4.2.1 中心波长155011m ASE 光源入射实验结果  56-59
    4.2.2 中心波长131011m SLD 光源入射实验结果  59-61
  4.3 本章小结  61-62
第五章总结与展望  62-64
  5.1 本文总结  62
  5.2 工作展望  62-64
参考文献  64-68
发表论文和参加科研情况说明  68-69
致谢  69

基于微毛细管的光微流体生物传感器研究

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