课程大纲

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导波光学传感器原理与技术

课程编码:080401M05001H 英文名称:Theory and Technology of Guide-wave Optical Sensors 课时:45 学分:3.00 课程属性:专业普及课 主讲教师:祁志美

教学目的要求
本课程是为电子科学与技术学科和光学工程学科各专业研究生开设的一门以导波光学传感器原理、方法、结构、制备工艺、性能特点、应用需求为主的多学科交叉融合的普及课,内容包括光波导基础理论、光与物质作用的增强机理、表面等离激元共振理论、消逝波传感技术、表界面高光谱分析技术、光纤传感技术、以及硅基集成光子器件、铌酸锂薄膜电光调制器件、片上傅立叶变换光谱仪、光学超表面等光学与光子学前沿知识,课堂中将穿插一些实验演示。本课程要求学生具有一定的物理基础。通过本课程的学习,使学生掌握导波光学基本知识,熟悉几种典型的导波光学传感器机理与方法,了解导波光学传感器的国际前沿动态,拓展学生的知识面,提高学生在相关科研工作中的学科交叉研究能力,增强学生在导波光学传感器方面的设计与分析能力,激发学生的创新思维。

预修课程
《普通物理》、《光学》、《电磁学》、《电动力学》其中之一

大纲内容
第一章 菲涅耳反射理论与消逝场概念 3学时 祁志美
第1节 电磁波基础知识(麦克斯韦方程、介电常数等)
第2节 光与物质的相互作用、消逝波的概念与特点
第3节 多层膜结构的菲涅耳公式的推导
第二章 表面等离激元(SPP)共振理论 3学时 祁志美
第1节 SPP的概念与性质、激励条件、色散方程
第2节 SPP场分布函数、纳米多孔金膜SPP共振效应
第3节 长程SPP共振结构与共振特性
第三章 光波导基本理论 3学时 祁志美
第1节 平面光波导结构、导模激励方法、导模本征方程
第2节 导模场分布,消逝场穿透深度、消逝场功率占比
第3节 有效折射率的折射率灵敏度和表面吸附层灵敏度
第四章 SPP共振生化传感器 4学时 祁志美
第1节 SPP共振传感器的种类、功能和用途;
第2节 SPP共振芯片的制备与表面修饰;
第3节 SPP共振传感器的工作原理、装置结构、性能指标;
第4节 品质因数(FOM)、增敏方法、灵敏度影响因素
第五章 SPP共振高光谱成像传感技术 3学时 祁志美
第1节 高光谱成像原理与方法及其时间/空间/光谱分辨率;
第2节 SPP共振高光谱成像传感器优点,共振高光谱数据处理方法
第3节 SPP共振高光谱成像传感器对细胞、薄膜样品的原位分析
第六章 基于光波导吸收、荧光与散射原理的生化传感器 3学时 祁志美
第1节 光波导吸收式、荧光式和散射式生化传感器原理与方法
第2节 平面光波导偏振吸收光谱检测技术
第3节 片上微流控光波导生化传感技术
第七章 干涉式集成光波导传感器 3学时 祁志美
第1节 导波光干涉原理、相位信号实时解调方法
第2节 双模干涉传感器、集成光MZI传感器,光波导杨氏干涉传感器
第3节 复合光波导偏振干涉传感器
第八章 光波导共振传感器 4学时 祁志美
第1节 基于光栅耦合的光波导模式谱传感器;
第2节 基于棱镜耦合的等离子体波导共振(PWR)传感器;
第3节 全介质结构的共振镜传感器;
第4节 纳米多孔薄膜光波导共振传感器.
第九章 消逝场增强的表面光谱检测技术 4学时 祁志美
第1节 SERS传感技术
第2节 光学互易定律
第3节 SPP及光波导耦合发射定向拉曼光谱检测技术;
第4节 基于共振镜基底的单分子层拉曼光谱探测应用
第十章 光纤传感器 3学时 祁志美
第1节 光纤布拉格光栅/长周期光纤光栅/纳米光纤/光子晶体光纤
第2节 分布式光纤传感器
第3节 基于光纤法布里-珀罗干涉原理的声光换能麦克风及其应用
第十一章 硅基光子微腔谐振传感器 3学时 祁志美
第1节 回音壁模式(WGM)谐振原理,硅基光子微腔设计和耦合方法,
第2节 硅基光子微腔传感器在生化检测中的应用
第3节 硅基光子微腔新功能与新应用 (如光频梳)
第十二章 集成光波导片上傅立叶变换光谱仪 4学时 祁志美
第1节 傅立叶变换微光谱仪研究现状及片上静态傅立叶光谱仪优势
第2节 传统钛扩散铌酸锂光波导电光调制器的制备与特性;
第3节 光波导色散系统傅里叶变换光谱反演方法与分辨率算法
第4节 基于钛扩散铌酸锂电光调制器的片上静态傅立叶光谱仪
第十三章 铌酸锂单晶薄膜电光调制器件 2学时 祁志美
第1节 绝缘体上铌酸锂(LNOI)单晶薄膜基片及LNOI基电光调制器
第2节 基于LNOI基电光调制器的片上傅立叶光谱仪分辨率增强效果
第十四章 光学超表面及其传感应用 3学时 祁志美
第1节 光学超表面概念、结构、遵循的物理定律;
第2节 光学超表面的奇异光学特性及其对波前的调控功能;
第3节 光学超表面传感器特性与机理。

参考书
1、

课程教师信息
祁志美,男, 博导, 电子学研究所,研究领域光电纳米功能材料、光MEMS技术、环境监测光波导传感器与系统、表界面原位光谱分析方法与仪器、光纤声传感器与声定位系统等。