發(fā)布時(shí)間：2020-09-04 06:56

　　 回音壁模式的光學(xué)微腔具有超高的品質(zhì)因子以及極小的模式體積,因此基于此類光學(xué)微腔的生化傳感器普遍都有著超高的探測(cè)靈敏度,這也使得該類傳感器在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文利用微腔的諧振狀態(tài)隨待測(cè)物質(zhì)變化而變化的性質(zhì),提出了一種以熱耗散率為傳感指標(biāo)的傳感機(jī)理。通過結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種先進(jìn)的參數(shù)測(cè)量方法,可以有效提取傳感信息,獲得準(zhǔn)確率較高的測(cè)量參數(shù),并且能夠避免采集整個(gè)傳輸過程,實(shí)現(xiàn)低成本檢測(cè)。當(dāng)利用探測(cè)激光掃頻CaF_2光學(xué)諧振腔時(shí),在其傳輸波形上可以觀察到顯著的自激光熱振蕩現(xiàn)象。該振蕩的形成原因是熱膨脹效應(yīng),光熱效應(yīng)以及克爾效應(yīng)三者之間的相互作用。本文建立了該自激光熱振蕩效應(yīng)的理論模型,并且對(duì)該理論模型進(jìn)行了仿真分析。研究表明,光熱振蕩上的振蕩周期值與微腔的熱耗散率有關(guān)。熱耗散率的定義為熱量從光學(xué)微腔傳輸?shù)角惑w周邊環(huán)境中的速率。熱耗散率與待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),當(dāng)其性質(zhì)發(fā)生改變時(shí),熱耗散率就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生改變,這在傳輸過程中表現(xiàn)為振蕩周期的變化。隨著熱耗散率取值的增加,傳輸波形上的振蕩個(gè)數(shù)逐漸減小,最后趨于平穩(wěn)。利用這一特點(diǎn),可以根據(jù)傳輸過程確定此時(shí)微腔中熱耗散率的值,從而達(dá)到高性能傳感的目的。然而,多個(gè)振蕩周期與熱耗散率呈非線性關(guān)系,無(wú)法通過某個(gè)振蕩周期值有效測(cè)量其熱耗散率。因此,本文采用了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這一先進(jìn)的非線性參數(shù)測(cè)量方法。本文采用了兩種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),并搭建了基于這兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸數(shù)據(jù)測(cè)量模型,通過輸入光熱振蕩周期值進(jìn)而測(cè)量其相應(yīng)的熱耗散率值。數(shù)值仿真結(jié)果證明了這種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量模型可有效地反映出熱耗散率的變化趨勢(shì),且測(cè)量精度較高,對(duì)實(shí)現(xiàn)基于光學(xué)微腔的熱參量探測(cè)具有重要意義。同時(shí),通過對(duì)這兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能的比較,發(fā)現(xiàn)了GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅優(yōu)化過程更為簡(jiǎn)單,測(cè)量性能也更佳。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TP183;O43
【部分圖文】：

的品質(zhì)因子高達(dá) 108數(shù)量級(jí)[27]。由于其制作工藝較為簡(jiǎn)單，因此迅速得到了推廣。自那時(shí)起，各種形式的 WGM 微腔被制作了出來。1990 年，王育竹等中國(guó)科學(xué)院的研究人員利用玻璃微球腔實(shí)現(xiàn)了 881nm 的激光[28]。1992 年，隨著微型納米加工技術(shù)的成熟，McCall 等人在 1992 年利用半導(dǎo)體芯片成功研制出了微盤腔[29]，這一發(fā)明不僅降低了微腔尺寸，而且實(shí)現(xiàn)了低閾值激光器，從而促進(jìn)了集成光學(xué)領(lǐng)域內(nèi) WGM 光學(xué)微腔的發(fā)展。目前，對(duì) WGM 光學(xué)微腔的研究已擴(kuò)展到了多個(gè)領(lǐng)域，典型的有基于 WGM 光學(xué)微腔的高靈敏度傳感器[30-35]、低閾值激光器[36]、調(diào)制器[37]以及濾波器[38,39]等回音壁模式微腔按照形狀分類，有微盤腔，微球腔，環(huán)形腔，微芯圓環(huán)腔，圓柱腔等；按照制作材料分類，可以分為如 Si，SiO2等半導(dǎo)體材料，如 CaF2，MgF2等晶體材料，如 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等有機(jī)材料。不同材料的微腔在不同情況下都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，當(dāng)使用光學(xué)微腔進(jìn)行非線性效應(yīng)的研究時(shí)，必須使用具有非常小的光損的材料，例如氟化鈣，氟化鎂等材料制作微腔。在傳感和濾波器的應(yīng)用中，就必須使用到微環(huán)腔以及微盤腔。各種回音壁微腔的結(jié)構(gòu)圖如圖 1-1 所示。

當(dāng)光學(xué)微腔的材料、尺寸或外部環(huán)境改變時(shí)，諧振此，可以通過微腔感測(cè)任何可以引起其尺寸和材料折射改變微腔尺寸這一方面來說，微腔可被用作壓力傳感器折射率這一方面來說，微腔可被用作氣體、液體傳感器微腔尺寸這兩方面來說，微腔可被用作溫度傳感器。學(xué)微腔傳感在探測(cè)微量物質(zhì)方面已經(jīng)取得了極大的研究生物分子的探測(cè)已達(dá)到非常靈敏的水平。目前，應(yīng)用于構(gòu)主要有微球諧振腔，微環(huán)諧振腔以及微盤諧振腔這三理論上擁有極高的品質(zhì)因子，常用來探測(cè)微納米粒子。 Vollmer 等人最先提出了基于回音壁微球腔的光學(xué)生化 1-2 所示。該團(tuán)隊(duì)利用該實(shí)驗(yàn)裝置，成功檢測(cè)到了牛血清傳感器可以應(yīng)用于生物分子探測(cè)領(lǐng)域。在之后幾年，該病毒單個(gè)分子的檢測(cè)，推測(cè)出病毒分子半徑約為 47nm腔，進(jìn)一步提高了病毒分子探測(cè)極限，實(shí)現(xiàn)了對(duì)半徑為 測(cè)[43]。

于探測(cè) NaCl 濃度的微盤腔傳感器實(shí)驗(yàn)裝icrodisk cavity sensor experimental deviceconcentration[49]工藝簡(jiǎn)單而受到研究人員的廣泛關(guān)腔的光學(xué)生化傳感器[51]。2009 年，涉儀與光學(xué)微腔互相耦合的新型生物譜范圍和良好的傳感靈敏度。2013

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本文編號(hào)：2812010