基于波导耦合光栅的光学滤波器件

摘要

波导耦合光栅是由衬底层、波导层以及光栅层组成的复合结构。其基本物理机理是被光栅衍射进入波导传播的光，当其被光栅进一步衍射产生多束衍射光，它与直接透射光发生干涉相消作用，在透射光谱中形成窄带消光信号，即产生波导共振模式。将波导耦合光栅与金属材料结合可制备出波导耦合金属光子晶体。在波导耦合金属光子晶体中，满足一定条件的入射光可激发金属表面等离子共振现象并与波导模式发生强烈的耦合，使得样品显现出独特的光学响应特性。基于波导耦合金属光子晶体结构制作的光学元器件可广泛应用在光学滤波、生物传感等光电子技术领域。　　 本文在引入金属表面等离子共振及波导耦合光栅光学滤波特性的基础上，介绍了利用激光干涉光刻法制备大面积、结构均匀的三元波导耦合光栅以及微米级大周期波导耦合光栅结构的方法。通过对其光学特性的研究发现：　　 (1)大周期波导耦合光栅具有不同于周期为纳米级的波导耦合光栅的反常透射现象。其角分辨的消光光谱中除了具备在波导耦合纳米光栅光谱中观察到的窄带消光信号，还出现了随角度调谐的透射增强信号。　　 (2)三元波导耦合光栅存在三套不同周期光栅结合而成的波导共振模式，随着入射角大小的连续变化，其信号响应范围可覆盖至整个可见光区域。三套波导共振信号模式同时调谐的光谱学响应特性有可能大大增加基于三元波导耦合光栅结构生物传感器测试的灵敏度。　　 最后，我们介绍了利用干涉光刻技术结合溶液法制备波导耦合金属光子晶体的过程，并对其进行了光谱学响应特性研究。这些实验研究结果与理论解释，进一步开拓了将波导耦合器件应用于光学滤波、生物传感等技术的思路，对设计出高灵敏度、性能稳定、参数可调的光电子器件具有重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 光子晶体及金属光子晶体简介

1.1.1 光子晶体

1.1.2 金属光子晶体及其应用

1.2 波导耦合金属光子晶体的制备方法及表征手段

1.2.1 波导耦合金属光子晶体主要制备方法

1.2.2 微纳结构表征手段

1.3 本论文的主要研究内容

第二章 波导耦合金属光子晶体相关理论介绍

2.1 表面等离子共振

2.2 波导耦合光栅结构及其光学滤波的基本原理

2.2.1 波导耦合光栅光学滤波原理

2.2.2 波导耦合纳米光栅结构及其光谱学响应特性

2.3 金属光子晶体理论研究方法

2.4 本章小结

第三章 大周期波导耦合光栅的实验研究

3.1 大周期波导耦合光栅结构的制备

3.2 大周期波导耦合光栅的光谱学响应特性

3.3 理论模拟结果

3.4 本章小结

第四章 三元波导耦合光栅结构制备及光谱学表征

4.1 三元波导耦合光栅结构的制备

4.2 三元波导耦合光栅光谱学响应特性

4.3 本章小结

第五章 波导耦合金属光子晶体结构的制备和光学特性研究

5.1 波导耦合金属光子晶体结构的制备

5.1.1 金纳米颗粒胶体的合成

5.1.2 波导耦合金属纳米光栅结构的制备

5.2 波导耦合金属光子晶体光谱学特性表征

5.3 本章小结

第六章 飞秒激光脉冲自相关仪光机电系统设计与制作

6.1 相关背景介绍

6.2 飞秒脉冲自相关仪原理

6.2.1 自相关法测量超短脉冲宽度的原理

6.2.2 本课题中自相关仪的结构及原理

6.2.3 自相关仪延迟时间的计算

6.3 机械与电路设计、制作

6.3.1 自相关仪机械元件设计

6.3.2 简易的转速调节电路与光电信息采集系统

6.4 实验测量结果

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢