双面金属包覆波导中的古斯—汉欣效应及流体测量研究

摘要

双面金属包覆波导是一种平板波导,其结构从上到下,分别为上金属耦合层,中间导波层,下金属衬底。因为其耦合层金属介电常数的实部为负数,所以入射光可通过自由空间耦合技术耦合进导波层,无须棱镜和光栅等,且有效折射率范围大,可介于零与导波层折射率之间。又因为导波层厚度扩大至亚毫米量级,所以可激发出模序数很高的超高阶导模。此种导模偏振不灵敏、半高全宽小、对导波层中光学参量(折射率和厚度等)的变化极其灵敏,利用这些特性,双面金属包覆波导可用于研究和开发光学传感器。除此之外,当双面金属包覆波导中辐射损耗与本征损耗大小匹配时,反射光束中的古斯—汉欣(Goos-Hanchen GH)位移能得到极大的增强,可达毫米量级。GH位移对导波层中的光学参量变化也同样极其灵敏。本文基于双面金属包覆波导中超大GH位移及其灵敏特性,展开了如下四个方面的工作:
　　一、以PMN-PT透明陶瓷作为双面金属包覆波导的导波层,通过电控方法,实现了基于GH位移效应的1′3空分电光开关。光开关的研究和开发有利于解决当今光通信网络中日益频繁的光信号交换和控制问题。PMN-PT透明陶瓷相对于其它电光材料,如铌酸锂晶体等,具有许多优点,电光系数大、无电场滞后效应、偏振无关和响应速度快等。在双面金属包覆波导中,引入PMN-PT透明陶瓷,通过外加载电压,由于电光效应和逆压电效应,使导波层的折射率和厚度发生变化,从而引起反射光中GH位移的改变。在反射光方向放置一个三孔阵列,通过不同的外加载电压,能让反射光分别从不同的通道出射。实现了串扰小、开关时间小的电光开关。
　　二、以BK7玻璃作为双面金属包覆波导的导波层,提出一种基于GH位移效应的高灵敏温度传感器。温度是一种最基本的物理量,许多物质的力学、电学和光学等参量是随温度变化的函数,利用这些变化规律可以开发温度传感器。光学温度传感器由于不受外界电磁干扰而倍受关注。因热光和热膨胀效应,环境温度的波动能使 BK7的折射率和厚度发生相应的变化,从而引起反射光中GH位移的改变。实验中,GH位移与温度改变呈线性关系,0.2 oC温度的改变可引起GH位移76 mm的变化,由于所使用的位置灵敏器的最小位移分辨量为2 mm,可得出此温度传感器的最小温度分辨率为5′10-3 oC。
　　三、将纳米磁流体注入双面金属包覆波导中,实现了自组装的可调谐一维磁流体周期链状结构,并发现反射光强和GH位移均可被全光调控。周期性的微纳结构具有一些奇特的性质,如光子带隙等,但一般地待结构制作完备后,就难以通过外场进行调控。在我们的结构中,泵浦光经上层金属膜耦合进双面金属包覆波导的导波层,并经上下两金属层的来回反射,会形成类似于F-P腔中的驻波光场分布,且其光场相对于入射光场增强了近70倍。其驻波光场分布会对导波层中的纳米磁流体施加一个梯度力,使纳米磁流体向光强较强的区域聚集,这样便会形成一维周期性结构,且此结构可通过调节泵浦光的光强大小来调控。实验中,发现信号光的反射光强和GH位移均可被泵浦光全光调控,且其响应时间为秒量级。除了光捕获效应外,Soret效应也会影响纳米磁流体的排布。Soret效应是由于热场分布不均匀会对微纳颗粒产生梯度力,其力的方向与光捕获效应相反。我们在实验中,发现存在一个泵浦光强临界值,当泵浦光强小于这个临界光强时,光捕获效应占主导作用,反之,Soret效应占主导作用。
　　四、将手性液体注入双面金属包覆波导中,提出了一种精确测定手性液体中对映体过量的新方法。从微观角度来看,很多物质的分子具有像“左手和右手”一样的两个不同形态。具有重要生理意义的有机化合物绝大多数都是手性分子,并仅以一种对映体存在。因此许多药物的两对映体会表现出不同的药动学和药效学。两对映体的物理性质几乎相同,只是其对两圆偏振光的折射率略有不同(~10-6)。实验中,将入射光的偏振态在两圆偏振态之间相互转换,测量反射光强的差值,从而测定手性液体中的对映体过量。因双面金属包覆波导中超高阶导模对导波层中折射率改变极其灵敏,且对光的偏振不灵敏,所以此种对映体过量测量方法的灵敏度非常高。实验证明对柠檬油精和香芹酮两种手性液体的对映体过量测量分别可达1.2％和2.1%。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1古斯-汉欣位移效应的研究背景

1.2光学传感器的研究背景

1.3本论文的研究内容及创新之处

1.4参考文献

第二章 双面金属包覆波导基础

2.1双面金属包覆波导结构及其制备

2.2超高阶导模及其古斯-汉欣位移效应

2.3应用研究

2.4本章小结

参考文献

第三章 基于古斯—汉欣位移效应的电光开关研究

3.1光开关的应用与控制类型

3.2 PMN-PT透明陶瓷的电光及逆压电效应

3.3基于古斯-汉欣效应的电光开关研究

3.4 本章小结

参考文献

第四章 基于古斯—汉欣位移效应的温度传感器研究

4.1温度传感器的研究现状

4.2表面等离子共振温度传感器

4.3基于古斯-汉欣效应的温度传感器研究

4.4本章小结

参考文献

第五章 基于磁流体的全光调控研究

5.1纳米磁流体的磁光效应及其磁光器件

5.2光捕获效应和Soret效应

5.3基于磁流体的全光调控研究

5.4本章小结

参考文献

第六章 手性液体的对映体过量测量

6.1手性液体对映体过量测量的研究现状

6.2基于双面金属包覆波导的对映体过量测量

6.3本章小结

参考文献

第七章 总结与展望

7.1论文工作总结

7.2未来工作展望

致谢

攻读博士学位期间的研究成果