基于表面等离极化激元在亚波长结构的传输特性,提出了一种含单挡板的金属-介质-金属(MIM)波导耦合双T型谐振腔的结构。在近场耦合作用下,单挡板形成的较宽连续态与单T型腔形成的较窄离散态,经过复杂的干涉相消形成非对称的双重Fano共振峰。基于耦合模理论,研究了单挡板MIM波导耦合单T型腔Fano共振的产生机理,并采用有限元分析法对该结构进行了模拟仿真。在此基础上,研究了含双T型腔结构的四重Fano共振形成过程,分析了上下T型腔结构参数对Fano共振峰的影响。结果表明,上下T型腔产生的Fano共振峰互不影响,且由单个T型腔可以实现两个Fano共振峰独立可调谐,故含金属挡板的MIM波导耦合双T型腔结构可以实现四个Fano共振峰独立可调谐。该结构可为差动传感器和波分复用器的设计提供有效的理论参考。

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。

基于表面等离子激元的传输及耦合特性,设计了一种耦合内嵌银条圆盘腔的金属-介质-金属弯曲波导滤波器结构。并应用有限元法对该结构的光谱特性及滤波特性进行了分析。结果表明,内嵌的银条打破了结构的对称性,实现了双模式共振效应,且该结构由于具有双边耦合效应,获得了比单边耦合更高的耦合效率,透射谱中出现了两个明显的阻带,获得了很好的双频窄带滤波功能,相比已报道的同类滤波器得到了更高的品质因子;改变圆盘谐振腔半径或腔内介质折射率,可实现滤波波长的近似线性调节。

水体中过高浓度的有机物含量危害巨大, 不仅会造成严重的环境污染, 而且危害人类身体健康, 传统化学法检测水体化学需氧量(COD)的步骤繁琐且时效性差, 不利于水体中COD的快速定量检测。 针对这些问题, 提出了一种将紫外光谱与组合权值模型相结合的快速定量检测COD方法, 该组合权值模型是基于反向区间偏最小二乘法(BiPLS)结合组合区间偏最小二乘法(SiPLS)算法对紫外光谱的特征子区间筛选组合, 然后依据特征子区间的权值建立的预测模型。 首先按照一定的浓度梯度配制45份COD标准液样本, 通过实验获取标准液的紫外光谱数据; 对获取到的COD紫外光谱数据做一阶导数和S-G滤波(Savitzky-Golay)的预处理, 消除基线漂移和环境干扰噪声; 应用SPXY(Sample set partitioning based on jiont X-Y)算法将实验样本数据组划分成校正集和预测集。 然后基于BiPLS算法对全光谱区间进行波长筛选, 在BiPLS筛选过程中, 目标区间的划分数量会对建模产生较大影响, 于是对子区间划分数量进行优化, 把子区间分成15~25个, 在不同区间数下都进行偏最小二乘(PLS)建模, 通过交互验证均方根误差(RMSECV)来筛选最优子区间数, 得到区间数为18时, 模型效果最佳。 从18个波长区间筛选出了6个特征波长子区间, 入选的子区间为2, 1, 3, 11, 7和6, 对应波长为234~240, 262~268, 269~275, 290~296, 297~303和304~310 nm, 这6个特征波长区间涵盖了大量的光谱信息, 对最终预测模型的贡献度大; 接下来通过SiPLS算法对这6个初选区间进行进一步的筛选组合, 采用不同的组合数构建不同特征区间上的PLS模型, 在相同组合数下, 筛选出一个区间组合数最优的结果, 对比不同组合数下预测模型的误差与相关性, 将6个区间筛选组合为3个特征波长区间, 分别为234~240, 262~275和290~310 nm, 这三个特征区间最佳因子数分别为4, 4和3。 对传统SiPLS的特征区间组合方法进行改进, 基于权值的大小来对这3个特征区间进行线性组合, 代替过去特征区间直接组合的方法。 通过权值公式计算出这3个特征区间的权重大小分别为0.509, 0.318和0.173, 最终建立线性组合权值COD浓度预测模型。 为了验证组合权重预测模型的精度, 另外建立了全波长范围内的PLS预测模型、 单个特征波长区间的PLS预测模型、 直接组合特征波长区间的PLS模型, 并使用评价参数相关系数的平方(R2)、 预测值与真实浓度值的均方根误差(RMSEP)和预测回收率(T)来对模型评价。 验证结果表明, 相比其他预测模型, 组合权值模型相关系数的平方达到了0.999 7, 明显优于直接组合特征区间建模的0.968 0, 预测均方根误差为0.532, 比直接组合特征区间的预测模型误差降低了29.3%, 预测回收率为96.4%~103.1%, 显著地提高了预测精度。 该方法简单可行, 不会产生二次污染, 可为在线监测水体中COD浓度提供一定的技术支持。

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输特性,提出了一种含双金属挡板的金属-电介质-金属(MDM)波导耦合方形腔结构。法布里-珀罗(F-P)谐振腔产生的宽连续态与由方形谐振腔产生的窄离散态干涉相消,形成了Fano共振。基于耦合模理论,定性分析了该结构Fano共振的产生机理。利用有限元法对该结构进行了仿真,定量分析了结构参数对折射率传感特性的影响。结果表明,优化参数后该结构的折射率灵敏度高达1080 nm/RIU,优质因子高达7.35×10 ⁵。

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。