一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，旨在解决现有技术中双参量测量的准确性和灵敏度不足等问题。其包括：利用双波导腔Fano共振装置获得不同电压对应的非对称Fano共振曲线；基于非对称Fano共振曲线获得两预设入射角度下的反射光强变化量；基于双参量传感逆矩阵和反射光强变化量实时获得不同电压下双波导腔Fano共振装置的折射率变化量和厚度变化量；其中，双波导腔Fano共振装置包括依次连接的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，且第一介质层的厚度小于第二介质层的厚度。本发明专利技术能够实现波导厚度和折射率的双参量实时测量，测量串扰低，灵敏度和准确性高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法
本专利技术涉及一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，属于波导传感测量

技术介绍
随着科技的发展，对传感器的要求也越来越高，越来越多基于共振结构的波导(表面等离子共振波导，双面金属包覆波导等)被广泛应用于液体浓度、温度、厚度等参数的传感测量，但是目前使用的波导结构大多是单参量传感，而实际使用中往往需要双参量的同时测量，如厚度和折射率、折射率和温度等。在OpticsExpress25(2017)12733-12742中，罗伟等人提出了一种基于表面等离子共振峰的双入射角度下折射率与温度的双参量测量方案，实现了折射率与温度的同时测量，但其选用的表面等离子波共振峰左右对称度较高，容易产生较大的传感串扰，而且只有TM偏振的光才能实现双参量测量，灵敏度也有待提高。
技术实现思路
为了解决现有技术中双参量测量的准确性和灵敏度不足等问题，本专利技术提出了一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，利用一薄一厚的两个波导组成双波导腔Fano共振装置，通过双波导腔Fano共振装置产生非对称的Fano共振曲线，进而基于Fano共振曲线和2个入射角度实现厚度和折射率的双参量实时测量，测量串扰低，灵敏度和准确性高。为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术手段：本专利技术提出了一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，包括如下步骤：利用双波导腔Fano共振装置获得不同电压对应的非对称Fano共振曲线，所述的双波导腔Fano共振装置包括依次连接的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，其中，所述第一介质层的厚度小于第二介质层的厚度；基于非对称Fano共振曲线和预设的2个入射角度，获得每个入射角度对应的反射光强变化量；基于预先构建的双参量传感逆矩阵和反射光强变化量实时获得不同电压下双波导腔Fano共振装置第二介质层的折射率变化量和厚度变化量。进一步的，所述第一介质层和第二介质层均采用透明材料，所述第一金属层、第二金属层和第三金属层采用金或银。进一步的，所述第一介质层的厚度范围为1～50μm，第二介质层的厚度范围为0.3～1.5mm。进一步的，所述第一金属层的厚度范围为30～50nm，第二金属层的厚度范围为30～70nm，第三金属层的厚度不小于300nm。进一步的，所述预设的2个入射角度的选择方法为：利用双波导腔Fano共振装置获得无外加电压的非对称Fano共振曲线，在无外加电压的非对称Fano共振曲线的共振峰两侧各选择1个入射角度。进一步的，设预设的2个入射角度分别为θ1和θ2，所述双参量传感逆矩阵的构建方法为：根据双波导腔Fano共振装置第二介质层的电光系数和压电系数，计算外加电压U下第二介质层的折射率变化量和厚度变化量：其中，表示外加电压U下第二介质层的折射率变化量，n4表示无外加电压时第二介质层的折射率，γ33表示第二介质层的电光系数，h4表示无外加电压时第二介质层的厚度，表示外加电压U下第二介质层的厚度变化量，d33表示第二介质层的压电系数；利用双波导腔Fano共振装置获得外加电压U对应的非对称Fano共振曲线，并获得预设的2个入射角度对应的反射光强变化量；基于外加电压U下第二介质层的折射率变化量、厚度变化量和反射光强变化量，拟合计算出双波导腔Fano共振装置的双参量传感矩阵：其中，和分别表示外加电压U下θ1和θ2对应的反射光强变化量，为双参量传感矩阵，S11表示θ1对应的折射率变化量与反射光强变化量的比值，S12表示θ1对应的厚度变化量与反射光强变化量的比值，S21示θ2对应的折射率变化量与反射光强变化量的比值，S12表示θ2对应的厚度变化量与反射光强变化量的比值；根据双参量传感矩阵获得双参量传感逆矩阵：其中，M为双波导腔Fano共振装置的双参量传感逆矩阵。进一步的，不同电压下双波导腔Fano共振装置第二介质层的折射率变化量和厚度变化量的计算公式如下：其中，Δn4表示当前电压下第二介质层的折射率变化量，Δh4表示当前电压下第二介质层的厚度变化量，ΔR1和ΔR2分别表示当前电压下2个入射角度对应的反射光强变化量。采用以上技术手段后可以获得以下优势：本专利技术提出了一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，利用双波导腔Fano共振装置获得Fano共振曲线，由于双波导腔Fano共振装置中的2个介质层一薄一厚，通过薄、厚两个波导模式的相互耦合可以产生不对称的、尖锐的Fano共振曲线，本专利技术利用Fano共振曲线不对称的特点，利用两个入射角度分别获得反射光强变化量，并基于反射光强、厚度和折射率的线性关系，实时计算波导的厚度和折射率变化量。与传统的单参量传感测量方法相比，本专利技术能够同时测量双参量，操作简单且实用性强；与现有的双参量测量方法相比，由于本专利技术的Fano共振曲线具有明显的不对称性，因此本专利技术方法的双参量测量串扰低，而且本专利技术的Fano共振峰半高全宽小，传感灵敏高，测量结果更加准确可靠。附图说明图1为本专利技术一种双波导腔Fano共振装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例中薄波导对TE偏振和TM偏振的反射率光谱图；图3为本专利技术实施例中厚波导对TE偏振和TM偏振的反射率光谱图；图4为本专利技术实施例中双波导腔Fano共振装置对TE偏振和TM偏振的反射率光谱图；图5为本专利技术一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法的步骤流程图；图6为本专利技术实施例中不同电压下的非对称Fano共振曲线图；图7为本专利技术实施例中反射光强随厚度和折射率变化的关系图；图1中，1是第一金属层，2是第一介质层，3是第二金属层，4是第二介质层，5是第三金属层。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明：为了提高波导在传感测量中的适应度和灵敏度，本专利技术提出了一种双波导腔Fano共振装置，如图1所示，从入射光线方向来看，双波导腔Fano共振装置包括依次连接的第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4和第三金属层5，其中，第一介质层的厚度小于第二介质层的厚度。从结构上看，第一金属层、第一介质层和第二金属层组成了第一双面金属包覆波导，即薄波导；第二金属层、第二介质层和第三金属层组成第二双面金属包覆波导，即厚波导。2个波导均能激发各自的波导模式，当第二金属层减小至合适的厚度时，薄波导腔与厚波导腔激发的波导模式相互耦合并形成Fano共振。本专利技术双波导腔Fano共振装置中，第一介质层和第二介质层均采用透明材料，第一金属层、第二金属层和第三金属层采用金或银。第一金属层的厚度范围为30～50nm，第二金属层的厚度范围为30～70nm，第三金属层的厚度不小于300nm；第一介质层的厚度范围为1～50μm，第二介质层的厚度范围为0.3～1.5mm。下面通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：/n利用双波导腔Fano共振装置获得不同电压对应的非对称Fano共振曲线，所述的双波导腔Fano共振装置包括依次连接的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，其中，所述第一介质层的厚度小于第二介质层的厚度；/n基于非对称Fano共振曲线和预设的2个入射角度，获得每个入射角度对应的反射光强变化量；/n基于预先构建的双参量传感逆矩阵和反射光强变化量实时获得不同电压下双波导腔Fano共振装置第二介质层的折射率变化量和厚度变化量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
利用双波导腔Fano共振装置获得不同电压对应的非对称Fano共振曲线，所述的双波导腔Fano共振装置包括依次连接的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，其中，所述第一介质层的厚度小于第二介质层的厚度；
基于非对称Fano共振曲线和预设的2个入射角度，获得每个入射角度对应的反射光强变化量；
基于预先构建的双参量传感逆矩阵和反射光强变化量实时获得不同电压下双波导腔Fano共振装置第二介质层的折射率变化量和厚度变化量。


2.根据权利要求1所述的一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层均采用透明材料，所述第一金属层、第二金属层和第三金属层采用金或银。


3.根据权利要求1所述的一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，所述第一介质层的厚度范围为1～50μm，第二介质层的厚度范围为0.3～1.5mm。


4.根据权利要求1所述的一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，所述第一金属层的厚度范围为30～50nm，第二金属层的厚度范围为30～70nm，第三金属层的厚度不小于300nm。


5.根据权利要求1所述的一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，所述预设的2个入射角度的选择方法为：
利用双波导腔Fano共振装置获得无外加电压的非对称Fano共振曲线，在无外加电压的非对称Fano共振曲线的共振峰两侧各选择1个入射角度。


6.根据权利要求1所述的一种基于双波导腔Fano共振装置的双参量测量方法，其特征在于，设预设的2个入射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王贤平，蔡文娟，张颖聪，殷澄，袁文，罗海梅，李俊，桑明煌，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：江西;36