论文摘要：高灵敏度、高通量布洛赫表面波光学传感关键技术研究

表面波光学传感技术具有灵敏度高、实时快速、免标记等优点，在生命科学研究、药物开发、医疗诊断、食品安全、环境监测等领域具有重要的应用前景。光学表面波对介质交界面附近的光学特性非常敏感，随着近年来生物科学、物理科学、信息技术、微纳加工等多种学科领域的发展，光学表面波在传感领域的应用研究获得了飞速发展，其中最为典型的为表面等离子共振（Surface Plamon Resonance）传感技术。伴随着光子晶体研究的备受关注，自上个世纪70年代Yeh等对布洛赫表面波（Bloch Surface Wave）传感理论及实验研究提出以来，布洛赫表面波传感技术受到了广泛关注，由于其与表面等离子共振的诸多相似之处且在此基础上拥有许多优点，迅速被应用到生化分子检测领域并取得了显著成果。

本论文围绕布洛赫表面波进行了大量的理论和实验研究工作。研究了一维光子带隙传感芯片的设计方法，探索了布洛赫表面波光学传感检测新方法，并对布洛赫表面波激发时所产生的物理光学效应——古斯汉欣效应的增强及其在传感检测领域的应用进行了实验研究和讨论，取得了一定的研究成果。本论文主要分以下几个部分：

1、基于激发布洛赫表面波的耦合共振效应，实现了一种简便的高灵敏度、基于强度检测的布洛赫表面波传感检测方法。通过设计可以激发布洛赫表面波的一维光子晶体带隙结构，角度反射谱中会出现一个尖锐的共振峰，并且峰宽要明显窄于表面等离子共振峰，该共振峰对环境介质的折射率变化非常敏感。通过在反射端定点实时检测反射光强随不同浓度甘油溶液折射率的变化情况，在实验上进一步演示验证了实现高灵敏度传感检测的可能性。

2、基于布洛赫表面波激发所产生的增强古斯汉欣位移现象，实验实现了基于古斯汉欣效应检测的高灵敏度传感系统。在截断的一维光子结构表面激发布洛赫表面波的同时会引起反射光束的侧向移动，即产生古斯汉欣效应。首先，通过合理设计一维光子带隙结构，实验实现了亚毫米级的古斯汉欣位移。经过实验验证，该位移效应对环境介质折射率的变化可以非常敏感。进一步利用位移敏感器件定点检测随样品折射率变化的反射光束的古斯汉欣位移改变，实验证明，该系统的灵敏度相比现有的表面等离子共振系统可以得到显著提高。

3、实验获得了古斯汉欣效应下的反射光束的空间相位变化。以往研究均集中在截断的一维光子晶体表面激发布洛赫表面波从而导致的空间光束强度分布改变，即古斯汉欣效应。通过对光场的分析表明，反射光束的相位分布也会发生剧烈的跳变。通过对不同入射角度下的空间相位变化的实验测量发现，在反射光束光强分裂的位置的相应相位分布也会发生明显跳变，并且随入射角度的改变该空间相位分布会发生明显的移动。 该效应应用于古斯汉欣位移检测系统中，可以通过空间干涉对古斯汉欣位移效果实现有效增强，进而提高系统的灵敏度。

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