基于氮化硅波导的拉曼传感及关键器件研究

来源 :黄培坚 |
食品安全、环境检测、边防安检以及军事国防等领域的痕量物质检测技术已成为化学、物理、生命科学和纳米科技等领域快速增长的研究课题。其中激光拉曼散射光谱法采用单波长的激光照射被测物,通过探测和分析其拉曼散射
食品安全、环境检测、边防安检以及军事国防等领域的痕量物质检测技术已成为化学、物理、生命科学和纳米科技等领域快速增长的研究课题。其中激光拉曼散射光谱法采用单波长的激光照射被测物,通过探测和分析其拉曼散射光谱来识别被测分子指纹谱线,进行定性定量测量,有很高的探测准确度,是一种有可能同时实现多组分痕量气体和液体检测的方法。现如今,面对以5G技术为基础的物联网时代,光谱检测器有望作为物联网的前端/触角,其应用规模(特别是在痕量大气污染物监测领域)有望出现前所未有的增长,这对光谱检测器的分辨率、频响速度和范围、信噪比、体积功耗、与无线通讯高度融合的能力等提出了新的要求,片上光谱检测是相对最有潜力的解决方案。硅基材料被广泛应用于制作性能优良的光波导,但它可以透过的短波限约为1100nm,在常见的拉曼光谱检测波段系统的532nm、633nm和785nm区域不透过,不适合做这几个波长的波导器件;氮化硅(Si3N4)的透射短波限约为300nm,可以用来制作短波长的光波导;但如何用氮化硅波导实现拉曼传感和片上光谱检测,还有很多科学、技术和工艺上的问题;其中,关键器件的设计和实现是目前亟待突破的关键点。本论文主要集中在“基于Si3N4波导的拉曼传感及关键器件研究”,建立波导与金属纳米结构的耦合增强拉曼散射机理模型,研究光栅耦合器、微环谐振器、波导马赫曾德尔干涉仪等片上波导器件的光传输、光耦合及光调制特性;搭建波导器件性能测试系统,完成系统调试;研究波导传感单元、光栅耦合器、微环谐振器(Micro-ring resonator,MRR)、波导马赫曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)等器件的制备和工艺优化;开展波导拉曼传感、关键波导器件的性能测试实验。主要研究工作如下:(1)波导增强拉曼传感机理研究:采用波导耦合传输理论,建立了波导增强拉曼和波导/SERS(surface-enhanced Raman scattering,表面增强拉曼散射)耦合增强拉曼的理论模型,研究了单分子、多分子的拉曼传感特性。进一步采用COMSOL Multiphysics 5.5对条形波导和槽型波导在SERS和非SERS条件下的光场分布进行数值分析。(2)关键波导器件研究:研究了波导耦合光栅周期、入射角度、占空比对耦合效率的传递关系,获得最优设计参数值。采用波导耦合传输理论,建立弯曲波导、微环谐振器、MZI等关键波导器件的的光传输和耦合特性模型;分析了结构参数对光传输和耦合特性的影响;进一步研究了基于Si3N4波导的光谱采集总体方案,从理论和仿真数值方面分析了其可行性。(3)波导器件性能测试系统搭建和调试:根据波导拉曼传感单元和光谱采集单元的性能测试要求,完成了波导器件性能测试系统的总体设计;完成了组件选型,包括光源、偏振器/起偏器、耦合光栅、显微镜、精密调整装备等;搭建了波导器件测试平台,并完成了测试平台的调试。(4)波导器件的制备和性能测试实验:根据前述关键器件的理论分析和优化设计,设计了波导器件的掩膜版图,利用传统硅基刻蚀工艺发展而来的氮化硅加工法制备了多组波导器件(波导光栅耦合器、MRR、MZI和拉曼传感单元),并对其表面形貌及材料进行了SEM(Scanning electron microscope)及EDS(Energy dispersive spectroscopy)表征分析。研究了光栅耦合器占空比、测试方法、转换器汇聚角、光栅周期数量对其耦合效率的影响。通过实验研究了微环谐振器的光传输特性及耦合特性,提出MRR-Through端光谱信号半高宽还原法。提出以Add-Drop型为MRR结构的基于F-P效应的光传输特性模型,明确其杂峰来源于光栅耦合器端面产生的多次反射,并提出在光栅耦合器表面添加减反射膜来降低杂峰影响,分析结果显示:设置光学厚度为150nm的Si O2在波长范围为0.448~0.911μm时,反射率R减少到0.05,谐振波长的误差值为γ=11.08%,此时MRR-Drop端的光谱信号几乎不受光栅耦合器端面形成的F-P腔的影响。(5)波导拉曼传感和动态MZI光谱采集探索:结合优化的光栅耦合器及MZI,通过电源电压对MZI输出光谱进行温度调制。实验得到了电源电压(V)与波导片上温度(T)的关系,通过检测MZI输出的光谱周期计算得到不同电压(温度)下的波导折射率,建立热光系数(Thermal optical coefficient,TOC)。根据采样定理,实验设置折射率间隔Δnstep=0.0065,最大折射率变化Δnmax=0.3554,可得还原光谱分辨率为30 nm。利用激光器(λ=785nm)分别对转移在Si3N4波导上的石墨烯以及滴加在Si3N4波导上的不同浓度R6G(rhodamine 6G)探针分子进行波导拉曼测试实验。
研究了不同类型水溶性高分子聚合物对喹吖啶酮颜料(颜料红122)分散体系流变性能的影响.实验结果表明:加入不同类型高分子聚合物后,颜料红122分散体系的粘度随剪切速率增大而
讨论了一种在Matlab中建立快速传递对准数学模型,并在VC++下运用MATCOM实现传递对准仿真平台的方法。传递对准采用“速度/角速度匹配”方案,仿真结果证明,该方案的对准精度优
ue*M#’#dkB4##8#”专利申请号:00109“7公开号:1278062申请日:00.06.23公开日:00.12.27申请人地址:(100084川C京市海淀区清华园申请人:清华大学发明人:隋森芳文摘:本发明属于生物技
制备核壳磁性吸附剂MnFe2O4@Al2O3用于含铜废水的吸附实验研究。结果表明,MnFe2O4@Al2O3可有效去除水中的铜离子,在MnFe2O4@Al2O3投加质量浓度2.0 g/L、Cu2+质量浓度20 mg/L
知识经济被誉为21世纪人类社会一场新的产业革命,在这种新的时代背景下。本文从知识经济的特点出发,就我国目前的高等教育存在的不适应进行了总结,最后为我国高校在知识经济时代
背景与目的:探讨绞股蓝提取物对衰老大鼠DNA氧化及烷化损伤的影响。材料与方法:成年大鼠颈背部皮下注射D-半乳糖100mg/kg构建衰老动物模型,同时设注射等量生理盐水的正常对照组。
吴潜《履斋乐府》收词250余首,数量上为有宋一代第十位。其词激昂凄劲,是吴潜对人生的沉挚叹咏。风格上继承辛弃疾豪放词的传统,意气昂扬但不粗率叫嚣,境界凄劲但不生涩空疏,
江泽民同志关于依法治国和以德治国的论述,是我们建构“诚信社会”的总方略.“诚信”是中华民族优秀的道德遗产,其发展与社会主义市场经济健康发展的需要是一致的.“明礼诚信
1967年3月,来自四面八方的石油人汇聚在下辽河,一个叫红村的小村落,迎来了辽河石油勘探的第一抹曙光。红村,是辽河油田的摇篮。红村,是辽河油田总机械厂的故乡。 In March 1
新时代对新的教育提出了新的要求,小学教育是学生学习知识的基础,也是学生踏入系统化学习的第一步,过去受到应试教育的影响,我国的小学语文教育很难有根本性的突破,但.是,经
近年来,网络技术和视频技术迅速发展,传统的监控系统也不断向新的方向发展,出现了结合网络技术和视频技术的远程视频监控系统。在构建基于Web的远程监控系统时,传统的8/16位
新课程实施以来,我们的课堂中出现了多样化的教学模式,教师的教学方式、学生的学习方式都发生了可喜的变化。但我们对新课程的理解是片面的、肤浅的,突出的表现是重现象不重本质、重形式不重实质,致使课堂中出现了虚假的繁荣。从形式上看,在四十五分钟的课堂里常常是欢声笑语、高潮迭起,似乎课堂已经走进了新课程的最佳状态,其实我们的教学有许多地方值得反思。  一、创设教学情境,激发学生兴趣   兴趣是打开成功之门的
期刊
猝死丈夫还有一个“妻”驾到 殷福娣出生在江苏靖江一户普通农家,1996年,她与镇上开出租车的江洪海结婚。婚后,两人小日子过得很幸福。随后儿子的到来,更是让这个小家其乐融融。不久,姜堰市开了个厨具公司。在江洪海的悉心打理下,短短几年,厨具生意做得风生水起。  2010年3月的一天下午,殷福娣等来了一个噩耗:丈夫江洪海在深圳应酬时,醉酒后摔倒身亡。当她看到公公江锦秀怀里抱的骨灰盒时。一下子晕了过去……
期刊
介绍了矿用防爆无轨胶轮车在特大型矿井现代化辅助运输中的应用,阐述了基于"人、机、环、管"四因素有机结合的防爆无轨胶轮车运输安全管理体系,保障了矿井的辅助运输安全,促进
过去,我厂中药生产的产量、规模尚小,污水量不多,因此,'废水'处理的矛盾,尚未充分暴露。近几年来,由于品种、产量不断增加,用水量和'废水'的排放量都增加很
目前主流的新古典增长理论存在着非正统经济学所提出的总量生产函数和边际生产力法则的虚假性质疑与逻辑悖论质疑,并丢失了古典宏观经济理论和马克思经济学所重视的收入分配
主要介绍了地铁设计中FAS在中央监控管理级和车站监控管理级的监控功能和监控范围及接口中的应用。重点分析了FAS在各管理级的作用和各相关专业的技术接口。
<正>书法史研究应该是在事实认定的前提下进行价值判断,也就是在知识还原、历史再现的基础上总结规律、分析其价值和意义。关于五代十国的书法,目前研究主要集中于杨凝式一人
【目的】基于Faster R-CNN模型对不同成熟度蓝莓果实进行精准识别分类,为浆果类果实的自动化采摘、产量预估等提供技术支撑。【方法】选取成熟果、半成熟果、未成熟果剪切图像各4000幅和8000幅背景图像作为训练集,1000幅原始图像用于验证集开展试验,改进Faster R-CNN算法,设计一种对背景干扰、果实遮挡等因素具有良好鲁棒性和准确率的蓝莓果实识别模型,模型通过卷积神经网络(CNN)、区
化感作用属于化学生态学的研究范畴,是一门新兴学科。化感作用的英文为"Allelopathy",源于希腊语"Allelon(相互)"和"Pathos(损害、妨碍)"。1937年Molish首先将其定义为:
全身麻醉恢复期因气管拔管导致的剧烈血流动力学波动、呛咳等可能增加手术创面出血、脑血管意外事件等风险,也会导致患者麻醉体验度下降。因此,在全身麻醉恢复期,抑制气管拔
1999年6月~2004年6月,我院采用阿托品抢救农药中毒患者86例,其中10例发生阿托品中毒,治疗结果报告如下.
据波士顿Strategy Analytics分析师日前说,三星第二季度共售出1800—2100万台智能手机,同期,诺基亚约为1670万台,苹果为2030万台。三星智能手机将是首次超过诺基亚和黑莓,并成为苹
肝纤维化是肝脏细胞外基质合成和降解失衡的结果。基质金属蛋白酶(MMP)弄口金属蛋白酶组织抑制剂(TIMP)是细胞外基质(ECM)合成及降解代谢平衡调节中两个重要因素。研究显示MM
从去年的全省科技工作会议到前不久刚刚落幕的专业镇工作会议,创新特别是自主创新成为政府和学界一致的声音。而科技如何推动广东产业升级,特别是科技如何推动占广东GDP半壁江
世纪之交,国家纵览全局,提出西部大开发的重大战略决策,以推动西部经济社会的全面发展.由于西部各省属典型的农业大省,所以西部开发一定意义上就是对西部农村的开发,尤其是西
北京电信全业务运营一年多时间,业务发展迅速,但随着全业务运营的深入,服务问题日益凸显,北京电信的服务管理面临前所未有压力和考验。本课题旨在建立一种适应全业务运营的管
针对当前旋流器分级分选精度低、产品粒级范围宽等问题,提出采用双溢流管旋流器实现窄粒级精细分级的方案,一次分级能得到底流、内溢流和外溢流三种产品。采用Fluent流场数值模拟、实验室试验测量和现场工业试验验证相结合的方法,深入研究了双溢流管旋流器的分离过程,阐述了双溢流管旋流器的分离机理,对多产品精细分级旋流器装备的研发具有较为重要的理论意义和工程应用价值。本文进行双溢流管旋流器和普通旋流器的模拟及
【摘要】目的:提高我校药学专业学生的综合素质及人才培养质量。方法:以2010级专科药学专业学生为研究对象,实施Sandwich教学模式,培养学生分析、解决实际问题的能力。结果:相对节约教师资源,增强学生责任感,活跃课堂气氛。结论:推动学校和用人单位更为密切的合作,引导高校与科研院所、行业、企业联合培养人才。  【关键词】 Sandwich教学模式 药学专业 药理学教学  Sandwich教学是合作
期刊