基于缺陷层一维光子晶体传感特性的研究

摘要

对新型传感器的研究已是当今世界的研究热点之一。一个国家传感器技术的高低标志着这个国家科学技术发展水平的高低,它是构成信息产业的三大支柱之一。在信息产业中,传感器是获取信息的重要工具,也是信息检测必不可少的组成部分,信息技术的发展要求传感器向高精度、高可靠性和微型化等方向发展。随着电子技术的高速发展,也带来了一些不可避免的问题,这就促使人们把目光从电子转向光子,光子作为信息的载体比电子更具有优越性。自1987年类比电子晶体概念提出光子晶体的概念以来,迄今对光子晶体的研究已取得了飞速的发展,作为国际界研究的热点,光子晶体不仅具有理论价值,而且具有非常广泛的应用价值。
　　本文从理论上,利用传输矩阵法分别对不含缺陷层和含有缺陷层的一维光子晶体的光传输特性进行了研究,讨论了介质折射率、介质层厚度和介质层周期数、缺陷层掺杂方式、位置等因素对光子晶体传输特性的影响。根据含有缺陷层的一维光子晶体缺陷模的特性,得出光子晶体透射光波长的变化和光子晶体缺陷层厚度的变化成简单的线性关系,设计了一种基于缺陷层的一维光子晶体结构。
　　针对设计好的光子晶体结构,提出了制作和实验方案。实验中把光子晶体分三部分,先分别制作了缺陷层两侧的周期部分,在两周期部分中间采用空气间隙作为光子晶体的缺陷层,利用压电陶瓷微位移器控制空气间隙的大小,模拟缺陷层厚度的变化。分别设计实现了基于CCD摄像机和线阵CCD的光谱采集模块。按照设计的实验方案展开实验测试,并对实验结果进行了分析,实验结果表明:基于缺陷层的一维光子晶体透射光中心波长和光子晶体缺陷层厚度之间的变化趋势与理论上的相一致,采用对被测量敏感的材料作为缺陷层,可以得到高灵敏度的光子晶体传感器。文章最后讨论了引入负折射率材料、无序结构和异质结构后光子晶体产生的新传输特性。

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第一章 引言

§1.1 课题研究背景和国内外研究现状

§1.2 光子晶体的特性及应用

§1.3 课题研究的目的、意义和内容

第二章 光子晶体的计算和制作方法

§2.1 光子晶体的计算方法

§2.2 光子晶体的制作方法

§2.3 本章小结

第三章 含有缺陷层的一维光子晶体的传感特性

§3.1 一维光子晶体的理论基础

§3.2 不含缺陷层的一维光子晶体的光传输特性

§3.3 含有缺陷层的一维光子晶体的光传输特性

§3.4 透射光波长随缺陷层厚度的变化关系

§3.5 本章小结

第四章 实验方案设计及模块实现

§4.1 光子晶体结构参数选择

§4.2 实验整体方案的设计

§4.3 实验系统中各模块的实现

§4.4 本章小结

第五章 实验系统的搭建与实验结果

§5.1 实验系统的搭建

§5.2 实验结果

§5.3 影响因素分析

§5.4 本章小结

第六章 新材料、新结构对光子晶体光传输特性的影响

§6.1 一维光子晶体中引入负折射率材料

§6.2 一维光子晶体中引入无序结构

§6.3 一维光子晶体中引入异质结构

§6.4 本章小结

第七章 结论与展望

§7.1 结论

§7.2 展望

参考文献

附录A：缺陷层厚度在（0－2）nλ/4范围内变化时的缺陷模

附录B：缺陷层厚度从0变到1/2中心波长时透射光的变化

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果