基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法

本发明涉及光学传感，特别地涉及一种基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法。

背景技术：

1、光学传感技术分为接触式传感技术和非接触式传感技术，接触式传感技术中，当光学微腔处于模式体积内的待测物与光子发生相互作用时，会引起回音壁模式光学微腔谐振频率的移动、劈裂和展宽现象。模式移动是最常见的回音壁模式光学微腔传感机制，用谐振频率的移动量作为表征回音壁模式光学微腔传感性能的参数。具体解释如下：回音壁模式光学微腔的谐振频率会随着环境的变化而改变，一般是通过监测微腔的传输谱、反射谱等得到回音壁模式谐振频率。当待测物质进入回音壁模式光学微腔的倏势场范围内时，回音壁模式有效折射率发生改变，谐振条件改变使得回音壁模式谐振频率发生移动。

2、本发明利用了切角方型回音壁模式光学微腔，提出了一种在狭缝中即可完成待测物质浓度检测的方法。与之前基于其他回音壁模式光学微腔溶液浓度检测的方法相比，本发明提出的方法检测灵敏度更高，检测模型体积更小，性能更优异。通过直接在光学微腔外部实现溶液浓度检测，为狭缝微腔的发展及光学微腔溶液浓度检测方法提供了新思路。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，包括以下步骤：

2、s1、利用时域有限差分法设计切角方型狭缝回音壁模式微腔的尺寸，耦合波导的参数；

3、s2、利用时域有限差分法中的模式光源，从耦合输入波导的一端，发射波长λ＝1250nm～1750nm的模式光，进行时域有限差分法仿真计算，从而得到所设计切角方型狭缝回音壁模式微腔的谐振频率；

4、s3、调整切角方型狭缝回音壁模式光学微腔的上下两个腔体之间的距离，优化s2中得到的谐振频率，便于在溶液浓度传感时观察谐振频率的偏移量；

5、s4、选取s3中优化后的谐振频率，计算待检测的不同溶液浓度的偏移量；

6、s5、由于待检测溶液不同浓度下对应不同的光学折射率，所以通过改变时域有限差分法中的simulation仿真区域的背景折射率来模拟待检测溶液的浓度变化；

7、s6、观察s4中选取的谐振频率在不同的背景折射率下时发生的偏移量，计算出待检测溶液的浓度。

8、优选地，切角方型狭缝回音壁光学微腔整体呈方形，顶点处为三角形切角。

9、优选地，切角方型狭缝回音壁光学微腔整体为正方形，顶点处为等腰三角形切角。

10、优选地，溶液浓度检测的器件包括依次耦合的输入波导、切角方型狭缝回音壁光学微腔和输出波导。

11、优选地，切角方型狭缝回音壁模式光学微腔的腔边长l为1um；等腰三角形切角的直角边长度a为0.25um；输入输出波导与狭缝谐振腔之间的耦合距离g＝0.2um；w为输入输出波导的横截面边长，值为0.3um；切角方型谐振腔厚度t＝0.2um；狭缝距离s＝10nm。

12、优选地，切角方型狭缝回音壁光学微腔包括相互平行的上下两个微腔，当入射光e_source从波导入射后，满足谐振条件的光会耦合进微腔，通过上下两个微腔的耦合，会在两个微腔中间的狭缝区域形成稳定的行波模式；此时在微腔的另一侧使用输出波导来接收谐振频率。

13、优选地，光学传感器的灵敏度计算包括：

14、选好谐振峰，通过改变仿真软件的背景折射率来模拟溶液浓度的变化，首先设置仿真软件的第一背景折射率对应第一浓度的待测溶液折射率；通过计算，得到第一谐振峰的中心波长，设置仿真软件的第二背景折射率，对应第二浓度的待测溶液折射率；通过计算，第二谐振峰的中心波长；对计算结果进行线性拟合计算：溶液浓度检测灵敏度＝(第二谐振峰的中心波长-第一谐振峰的中心波长)/(第二浓度的待测溶液折射率-第一浓度的待测溶液折射率)。

15、上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

16、本发明提供的一种基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

17、1.使用硅材料制作切角方型狭缝光学回音壁模式微腔及耦合波导，提高耦合效率；

18、2.该设计适用于测量溶液浓度领域，通过这种切角方型狭缝回音壁模式光学微腔模型提高了溶液检测灵敏度；

19、3.相比于模型材料和大小相同的切角方型单个回音壁模式光学微腔检测效果来说，本发明所提出的切角方型狭缝回音壁模式光学微腔检测灵敏度可以提高一倍。

技术特征：

1.一种基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，切角方型狭缝回音壁光学微腔整体呈方形，顶点处为三角形切角。

3.根据权利要求2所述的基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，切角方型狭缝回音壁光学微腔整体为正方形，顶点处为等腰三角形切角。

4.根据权利要求1所述的基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，溶液浓度检测的器件包括依次耦合的输入波导、切角方型狭缝回音壁光学微腔和输出波导。

5.根据权利要求3所述的基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，切角方型狭缝回音壁模式光学微腔的腔边长l为0.1～10um；等腰三角形切角的直角边长度a为0.01～1um；输入输出波导与狭缝谐振腔之间的耦合距离g＝0.02～1um；w为输入输出波导的横截面边长，值为0.1～1um；切角方型谐振腔厚度t＝0.1～1um；狭缝距离s＝5～50nm。

6.根据权利要求1所述的基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，切角方型狭缝回音壁光学微腔包括相互平行的上下两个微腔，当入射光e_source从波导入射后，满足谐振条件的光会耦合进微腔，通过上下两个微腔的耦合，会在两个微腔中间的狭缝区域形成稳定的行波模式；此时在微腔的另一侧使用输出波导来接收谐振频率。

7.根据权利要求1所述的基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，其特征在于，光学传感器的灵敏度计算包括：

技术总结
本发明提供了一种基于切角方型狭缝回音壁光学微腔的溶液浓度检测方法，利用了切角方型回音壁模式光学微腔，提出了一种在狭缝中即可完成待测物质浓度检测的方法。与之前基于其他回音壁模式光学微腔溶液浓度检测的方法相比，本文提出的方法检测灵敏度更高，检测模型体积更小，性能更优异。通过直接在光学微腔外部实现溶液浓度检测，为狭缝微腔的发展及光学微腔溶液浓度检测方法提供了新思路。

技术研发人员：王冉冉,张志红,张雨轩,武敬达
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15