《微波頻段表面WG模感測器的關鍵技術研究》是依託雲南大學，由楊晶晶擔任負責人的國家自然科學基金專項基金項目。
基本介紹
- 中文名：微波頻段表面WG模感測器的關鍵技術研究
- 負責人：楊晶晶
- 依託單位：雲南大學
- 項目類型：專項基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
WG模(Whispering Gallery Mode)是一種形態依賴的諧振模式，19世紀末，英國科學家Reyleigh基於對聖保羅大教堂回音廊的研究最早給出了WG模的理論解釋。隨後，WG模的研究被擴展到光波和微波頻段，並迅速在感測器領域得到廣泛套用。但無論是在圓環、圓盤或球形介質諧振器中，WG模的場分布主要集中在介質內部，滲透到外部的消逝場很少，這成為了進一步提高感測器靈敏度的瓶頸。最近，我們研究發現在介質諧振器表面覆蓋超材料層能夠形成一種新的諧振模式：表面WG模，並伴隨著極強的消逝場放大效應，能夠顯著提高感測器靈敏度。本項目擬基於模式展開理論研究表面WG模的性質和產生機理，著重探討超材料結構與諧振器材料參數分布的關聯。在此基礎上製備微波頻段超材料諧振器，證實表面WG模效應，並針對雲南冶金行業生產流程中的檢測需求設計感測器原型，掌握其關鍵技術，為表面WG模的感測套用奠定理論和技術基礎。
結題摘要
本項目研究了表面回音壁(Whispering Gallery: WG)模及感測套用，並在微波頻段設計了感測器原型。詳細如下：(1) 研究了多層介質圓環、圓盤的諧振特性和模式場分布，在負介電常數材料層覆蓋下獲得了表面WG模；模擬了在介質感測中，環境介電常數改變時，諧振頻率的變化，結果表明，當相對介電常數變化0.01時，感測器相對頻移為5.4THz，靈敏度為6.8µm/RIU。(2) 基於電感(L)和電容(C)網路設計了傳輸線超材料，建立了由LC網路構成的表面 WG 模諧振器模型，驗證了表面WG模式，模擬了其感測效應，分析了電感、電容參數偏差等因素對模式分布的影響。(3) 研究了基於天然等離子材料金和石墨烯的介質微腔模式傳輸特性，產生了表面WG模式，並提出了基於物質分子與石墨烯表面傳輸模式相互作用形成耦合共振增強進行分子譜感測的方法。(4) 研究了褶皺金屬周期結構的色散關係，並通過本徵分析方法仿真了其傳輸模式，結果表明褶皺金屬結構可以等效為負介電常數材料；褶皺深度增加時，模式傳播常數增大，局域性增強，通過設計褶皺深度漸變的波導結構實現了傳輸波與消逝波的相互轉換，以及分子譜感測；將褶皺金屬周期結構彎曲形成環形獲得了類似於表面WG模的諧振狀態，並命名為類表面WG模，找到了在微波頻段通過微帶技術設計類表面WG模感測器的突破口。(5) 設計了由同心圓環形褶皺金屬結構耦合構成的微波頻段微帶型類表面回音壁模式感測器模型；感測器由上下兩層板構成，上層為蝕刻於介質基板上的同心圓環形褶皺金屬結構，下層為微帶傳輸線；兩同心褶皺圓環之間耦合距離為調整感測器的工作頻率增加了一個自由度。在對模型進行仿真和最佳化的基礎上製備了感測器原型，建立了測量系統. 由於電場集中於兩個耦合褶皺環形結構之間的間隔內，因此該區域對物質介電常數的變化非常敏感。通過實驗驗證了感測性能，結果表明該感測器不僅能夠測量溶液濃度和分辨不同的溶液，而且能夠測量紙片厚度，具有較好的線性度。
