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基于一维光子晶体的滤波及传感应用研究

刘圆圆  
【摘要】:光子晶体是上世纪八十年代被提出的一种新型人工材料,由于它具有特殊的光学性质,光子晶体迅速成为一门蓬勃发展、前景宽广的新型材料。本文主要运用时域有限差分法(FDTD)对光子晶体在不同频谱波段的滤波情况进行了模拟优化,并应用光子晶体传感特性对蔗糖溶液的折射率及溶度进行了测量。具体内容如下:首先采用FDTD方法,对由Ag-ITO薄膜构成的一维光子晶体结构进行了滤波研究。在300nm-800nm波段范围内,改变缺陷层厚度、入射角度和ITO膜厚度对光子晶体带通滤波产生的影响进行了计算。结果表明:缺陷层厚度的改变能够对光子晶体的滤波性能起调制作用,但几乎不受入射角度的影响,滤波波谱随ITO膜厚的增加呈周期性的变化。最后计算了不同参量下光子晶体结构的色散曲线并给出了现象产生的物理解释。其次构造了(AB)~NC(AB)~N型的一维光子晶体模型,利用FDTD方法对该一维光子晶体的透射谱做了数值模拟和分析,得出了光子晶体透过峰位置与待测蔗糖溶液浓度及折射率之间的关系。结果表明待测蔗糖溶液浓度和折射率与光子晶体缺陷模透过峰之间为严格的线性关系,光子晶体透射峰位置随溶液浓度百分比的增大而向长波方向移动,我们通过测量缺陷模透过峰的位置从而得知溶液的溶度和折射率。结果显示,我们提出的这种光子晶体传感器对溶液溶度测量的敏度高达498.087nm/RIU,这为光子晶体传感器的设计制作提供了参考,有利于该溶液浓度检测传感器在实际应用中的推广。最后构建了SiO_2/(Ag-SiO_2)m/(Si-Al_2O_3)n一维复合光子晶体模型,并采用FDTD方法研究了该复合光子晶体的滤波性能。研究结果显示,通过调节构成光子晶体薄膜的厚度可使450nm-780nm波段范围内的可见光高效透过,200nm-400nm范围内的紫外线屏蔽,同时亦可对780nm-1000nm范围内的近红外光起到一定的抑制作用;另一方面,研究还发现在0°-10°范围内,不同偏振(TE/TM)模式下入射角度的变化对该复合光子晶体的紫外滤波特性影响甚微。


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