导波光学传感器原理与技术

课程编码：180092080402P3001H 英文名称：Principle and Technology of Waveguide Optical Sensor 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：祁志美

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。

《普通物理》、《光学》、《电磁学》、《电动力学》其中之一

第一章 菲涅耳反射理论与消逝场概念 3.0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与解释
第二章 平面光波导基本理论 3.0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
第三章 基于光波导吸收、荧光与散射原理的生化传感器 3.0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
第四章 集成光波导干涉型传感器 3.0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
第五章 光波导共振传感器 4.0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
第六章 表面等离激元(SPP)共振理论 3.0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 PP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
第七章 SPP共振生化传感器 4.0学时 祁志美
第1节 SPP共振传感器种类、功能和用途；
第2节 SPP共振传感器工作原理、装置结构、性能指标；
第3节 SPP共振芯片的制备与表面修饰；
第4节 品质因数(FOM)、增敏方法、灵敏度影响因素
第八章 高光谱SPP共振成像传感技术 3.0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
第九章 消逝场增强的表面光谱检测技术 4.0学时 祁志美
第1节 拉曼与SERS检测技术
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 5.0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 光纤麦克风
第4节 光纤水听器
第5节 基于声波法布里-珀罗谐振器的声学测温方法
第十一章 硅基光子微腔谐振传感器 4.0学时 祁志美
第1节 硅基光波导制备方法与特性分析
第2节 回音壁模式(WGM)谐振原理
第3节 硅基光子微腔传感器在生化检测中的应用
第4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 4.0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 3.0学时 祁志美
第1节 绝缘体上铌酸锂(LNOI)单晶薄膜制备方法
第2节 LNOI基集成光子器件
第3节 LNOI片上傅立叶光谱仪分辨率增强效果
第十四章 THz超表面及THz生化传感器 4.0学时 祁志美
第1节 THz波物理特性及THz时域谱(TDS)技术
第2节 THz超表面结构与共振特性；
第3节 THz-SSPP共振生化传感器；
第4节 THz波导共振生化检测方法。

祁志美，中国科学院空天信息创新研究院研究员(二级)，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，曾任传感技术国家重点实验室副主任。2001年毕业于日本横滨国立大学，获工学博士学位，2001.03至2007.03在日本国立产业技术综合研究所从事JST博士后研究工作，2007.04加入中科院电子学研究所，任“百人计划”研究员，2013年获中科院优秀导师奖，2014年被评为中科院优秀研究生指导教师，2016年获中科院朱李月华优秀教师奖，2018年获享国务院政府特殊津贴。长期从事导波光学传感器研究工作，主要研究方向包括：环境监测光波导传感材料、器件及系统，高光谱表面电磁模式共振成像传感技术，高灵敏声光换能麦克风及其应用。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目5项，重点基金1项，973课题2项，重点研发计划课题1项，中科院科研装备研制项目3项，JKW项目2项。在Nature Communications、Optics Letters, Applied Physics Letters 等期刊上发表SCI论文100余篇，获得日本发明专利5项，国家发明专利40余项，培养研究生4-余名。