عنوان

طراحی و تحلیل حسگرهای نوری ضریب شکست سنجی بر پایه تشدیدکنندههای نوری مدهای نجوایی برای کاربردهای زیستی

Number

۳۳۵۹پ

.Language of Text, Soundtrack etc

فارسی

Title Proper

طراحی و تحلیل حسگرهای نوری ضریب شکست سنجی بر پایه تشدیدکنندههای نوری مدهای نجوایی برای کاربردهای زیستی

General Material Designation

[پایان نامه]

First Statement of Responsibility

/ فروغ خزیمه سربیشه

Place of Publication, Distribution, etc.

سنندج

Name of Publisher, Distributor, etc.

: دانشگاه کردستان، دانشکده علوم پایه

Date of Publication, Distribution, etc.

، ۱۳۹۷

Specific Material Designation and Extent of Item

ق، ۱۷۵ص

Other Physical Details

: مصور، جدول

Accompanying Material

+ لوح فشرده

Text of Note

چکیده فارسی - انگلیسی

Text of Note

کتابنامه: ص. ۱۶۱-۱۷۵

Dissertation or thesis details and type of degree

دکترا

Discipline of degree

فتونیک

Body granting the degree

کردستان

Text preceding or following the note

۱۹.۶۰

Text of Note

در این رساله، به تحلیل، مدل‌سازی و طراحی زیست‌حسگرهای مبنی بر ‌ تشدیدکننده‌های نوریمد نجوای WGM پرداخته می‌شود. با ارائه‌ی روش‌های تحلیلی سیستماتیک برای مدل‌‌سازی سریع و دقیق این زیست‌حسگرها، بهینه‌سازی پارامترهای ساختاری تشدید کننده‌ها به منظور یافتن بهترین عملکرد زیست‌حسگری، امکان‌پذیر شده است. تحلیل تئوری مشددهای استوانه‌ای به‌عنوان زیست‌حسگرهای نوری کارآمد، ارائه می‌شود. این تحلیل که برپایه‌ی تکنیک‌های لام است، سیستماتیک بوده و منجر به ساده‌سازی فرآیند دشوار تحلیل مشخصه‌های الکترومغناطیسی مدهای نجوایی در مشددهای استوانه‌ای می‌شود. با این روش، طول‌موج‌های تشدید و پروفایل‌های شدت میدان الکترومغناطیسی مدهای نجوایی با مرتبه‌های شعاعی (i) و زاویه‌ای (l) بالاتر، محاسبه شده است. تطابق‌های داده‌ی 95 % ≤ بین نتایح روش پیشنهادی ما و روش‌های آزمایشگاهی و عددی، صحت و دقت روش پیشنهادی را به اثبات می‌رسانند. همچنین نشان داده می‌شود که با تعمیم روش تحلیل پیشنهادی برای مشددهای استوانه‌ای دولایه‌ای، امکان بررسی ساختارهای استوانه‌ای سه‌لایه‌ای نیز وجود دارد. با بررسی پارامترهای ساختاری در این مشددها، بهترین حساسیت (S) برایTM WG 10 در شعاع (R) 100 µm از یک مشدد استوانه‌ای MgF2 نسبت به سایر زیست‌حسگرهای مشدد استوانه‌ای مشابه با جنس سیلیکا، بدست می آید. علاوه ‌براین، در این تحقیق زیست‌حسگرهای برپایه‌ی مشددهای مدهای نجوایی مسطح بطور گسترده بررسی شده است. این زیست‌حسگرها در سه ساختار مشددهای میکرو حلقه، دیسک و ریس‌ترک MRR تشکیل شده از مواد SOI و SiON، بررسی می‌شوند. برای مدل‌سازی فوق‌العاده سریع (از مرتبه‌ی صدم ثانیه) و مؤثر از این زیست‌حسگرها، روش تلفیقی تبدیل‌کانونی و نظریه‌ی جفت‌شدگی مدها (CTM+CMT)ارائه می‌شود. برای اثبات صحت این روش، آزمایش‌های اندازه‌گیری طیف‌های خروجی مشدد حلقه SOI با شعاع 7 µm و مقادیر فاصله‌ی گاف 160 nm و 180 nm بین مشدد حلقه و موجبر مستقیم جفت‌شده به آن انجام شده است. در این حالت نیز تطابق داده‌ی 95 % ≤ یبن نتایج روش‌پیشنهادی و روش‌های آزمایشگاهی و همچنین شبیه‌سازی‌های نرم‌افزارCOMSOL وجود دارد. با این روش، دوازده پیکربند بهینه شده‌ی مختلف از زیست‌حسگرهای مبنی بر مشدد حلقه و دیسک با شرایط مصالحه بین Sبالا (100 nm/RIU≤) و حد آشکارسازی ذاتی ((ILODپایین (کمتر از 10-4 RIU≥) بدست می‌آیند. همچنین با پیشنهاد استفاده از ترکیب‌های دوتایی از این مشددها، دست‌یابی به زیست‌حسگرها با ILOD فوق‌العاده پایین امکان‌پذیر می‌شود. علاوه بر این، با در نظر گرفتن اثر پاشندگی در زیست‌حسگرهای مبنی بر MRRs, نواحی با عملکرد حسگری بهینه با شرایط مصالحه بدست آمده است. برای اولین بار در این رساله، پنجره‌های حسگری با ابعاد مینیاتوری، در ترکیب‌های چهار مؤلفه‌ای از مشددهای MRR و موجبرهای مستقیم، ارائه شده است. این ترکیب‌ها منجر به یافتن زیست‌حسگرهای مقرون‌به‌صرفه با ILOD فوق‌العاده پایین 7.32 ×10-8 RIU و مصرف نمونه‌ی زیستی کمتر در آزمایش‌های حسگری می‌شوند. در پایان، آزمایش‌های اندازه‌گیری حساسیت، در زیست‌حسگرهای MRR با شعاع lr{100 µm انجام شده است. در این آزمایش‌ها، سطح MRR در معرض شارش محلول‌های NaCl-آب، با غلظت‌های 0-0.9 % (weight/weight) قرار داده می‌شوند. با توجه به جذب کمتر آب در ناحیه‌ی فروسرخ نزدیک،از یک VCSEL با طول‌موج مرکزی ~850 nm به‌عنوان منبع نور استفاده می‌شود.

Text of Note

In this thesis, design, analysis and modelling of biosensors based on optical whispering gallery mode (WGM) resonators, have been examined. With presentation of some systematic analytical methods, optimization of resonator structural parameters, becomes possible. This leads to the best sensing performance of these resonator based biosensors in a fast and exact way. Theoretical analysis of cylindrical resonator based biosenors are done using Lam's approximations. This method is systematic and has been simplified the tedious process of WGM wavelength analysing in optical cylindrical biosensors. By this method, analysis of resonance wavelengths and electromagnetic field intensity profiles of higher radial orders of high angular momentum WGMs, has been possible. Perfect matchings of ≥ 95 \% between the analytical and the experimental and numerical methods, verify the correctness and exactness of the proposed analytical method. It is also depicted that by extending proposed two layers resonator structure analysing scheme, it is possible to study three layers cylindrical resonator structure as well. With examination of structural parameters in these resonators, the best sensitivity (S) of 187.69 nm/RIU, is found for a TM WG 10 in a MgF2 cylindrical resonator with radius of (R=100 µm) compared to a silica cylindrical resonator with similar structural parameters. Moreover, planar WGM resonator based biosensors, are extensively discussed in this thesis. These biosensors are based on silicon-on-insulator (SOI) ring (disk) resonators and silicon-oxy-nitride (SiON) micro racetrack resonators (MRRs). For extremely fast (in the order of hundredth of a second) and effective modelling of these biosensors, a joint analytical method based on conformal transformation method (CTM) and coupled mode theory (CMT), are proposed. This method is verified by comparison with experimental measurements and COMSOL simulations. The experiments include measurements of output spectra in SOI ring resonators with R=7µm and two different geometries with gap distances of 160 nm and 180 nm between the ring resonator and coupled straight waveguide to it. In this case, a perfect data matching of ≥95 % , between our proposed method and experimental method and COMSOL simulations, shows the correctness and precision of the proposed method. Using this method, enables us to figure out twelves optimized different ring (disk) resonator based biosensors with trade-off conditions between high S (≥100 nm/RIU) and low intrinsic limit of detection (ILOD ≤ 10-4 RIU). In addition we suggest to use dual coupled ring (disk) resonators as biosensors. It is found to be significance in finding biosensors with extremely low ILOD. Furthermore, with considering dispersion in MRR based bisensors, optimized regions with high sensing performance due to trade-off conditions, are found. To the best of our knowledge, for the first time we have proposed miniaturized sensing windows in four optical components systems including dual coupled SiON MRR based biosensors. These systems yield cost effective biosensors with low ILOD of 7.32 × 10-8 RIU, while thy propose less consuming of biological sample solution in sensing experiments. Finally we performed sensitivity measurements in SiON MRR based biosensors with R=100 µm. In these experiments the MRR surface is exposed to different concentrations of 0-0.9 % (weight/weight) of NaCl- water solutions. A final remarks is that due to the lower absorption of water in near-infrared region a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL), has been used as a light source in experiments.

fa

ba

Subject Term

Optical biosensors

Subject Term

whispering gallery mode resonators

Subject Term

refractive index

Subject Term

biosensing applications

خزیمه سربیشه، فروغ

Entry Element

رزاقی

Part of Name Other than Entry Element

، محمد

Dates

، 1358 -

Relator Code

استاد راهنما

Entry Element

دانشگاه کردستان

Subdivision

. دانشکده علوم پایه

Country

ایران

Agency

کتابخانه مرکزی دانشگاه کردستان

Date of Transaction

20181001

Call Number

SEV۳۳۸۰ ۱۳۹۷ کتابخانه مرکزی

p

TF

92029

1

a

Y