基于光学Tamm态耦合的光子晶体传感特性研究

摘要

光子晶体作为当今比较新颖的研究课题，利用其禁带和局域特性可以设计性能优良的光学元件，其中基于光子晶体结构设计制作的光学传感器具有体积小、信号响应速度快、检测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，已成为光学传感领域研究的热点问题。本文从光子晶体基本特性出发，与表面等离子型传感器相结合，设计了含金属插层的光子晶体结构，进而引入石墨烯材料对其进行优化，并对折射率传感特性进行分析，为光子晶体传感器的研究提供了理论支撑。主要进行以下几个方面的研究工作：
　　首先，基于表面等离子体(SPR)光学特性和光子晶体光学特性，利用光学Tamm态耦合理论，设计了含金属插层的光子晶体传感器。分析了传感器的传感机理，建立了待测溶液折射率与谐振波长的数学模型，并对光子晶体周期数、入射角度、金属厚度参数进行优化，使缺陷峰的半高全宽(FWHM)和品质因数(Q值)等特性得到提高。
　　其次，基于含金属插层的光子晶体传感结构，在金属插层表面附着一层石墨烯对传感结构进行优化。石墨烯材料具有非常高的表面体积比率，有机物和生物分子的碳基环结构和石墨烯的六元环单位可以形成堆积键，相对于金属银能有效的固定生物分子，使得电磁波与待测物充分接触，且石墨烯的加入可以防止金属银的氧化。根据Goos-Hnchen相位移与谐振波长的关系分析其传感机理，建立由待测溶液折射率与谐振波长的关系模型。在此基础上，对光子晶体层数和石墨烯层数进行选择优化，使光谱最为理想。
　　最后，分析SPR折射率传感器、含金属插层的光子晶体折射率传感器和含石墨烯材料的光子晶体折射率传感器的传感特性，并对其进行对比。研究结果表明，光子晶体与表面等离子体型传感器结合后，Q值得到很大的提高，且含石墨烯的光子晶体传感结构的传感特性比优化前提高了很多，证明了该传感结构的优势，为高Q值和高灵敏度传感器的设计提供一定的理论参考，显示了该结构在光学传感中的应用潜力。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 光子晶体型折射率传感器

1.3 国内外研究现状

1.4 课题来源及论文主要工作

第2章 光子晶体光学Tamm态的理论研究

2.1 引言

2.2 光子晶体的理论计算方法

2.3光学Tamm态概述

2.4 光学Tamm态的耦合分析

2.5 本章小结

第3章 含金属层光子晶体传感结构的建立及参数优化

3.1 引言

3.2 金属的Drude模型

3.3 光子晶体传感器传感机理分析

3.4 参数的优化

3.5 本章小结

第4章 光子晶体传感结构的优化及传感机理分析

4.1 引言

4.2 石墨烯材料概述

4.3含石墨烯材料的光子晶体传感机理分析

4.4 参数的优化

4.5 本章小结

第5章 光子晶体传感特性分析

5.1 引言

5.2 等效折射率“Lichtennecher”法分析

5.3 传感特性分析

5.4 结果参数对比

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢