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《南昌大学》 2018年
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二维声光子晶体的传感特性的研究

周志成  
【摘要】:由于天然存在于自然界的材料其功能十分有限,所以人工设计和制备的微结构材料引起了人们的极大关注。在过去的二十年来,这些人工微结构材料由于能在相应的波长(频率)数量级尺寸上,操控电磁波(例如光波)和弹性波(例如声波)的传输而受到广泛的关注。现在应用很多的人工微结构材料包含声子晶体(PnCs)、光子晶体(PtCs)、声子准晶(PnQCs)和光子准晶(PtQCs)等。光子晶体在布拉格散射机制的作用下而产生光子带隙,主要受介电常数的影响;声子晶体在布拉格散射机制和局域共振机制的共同作用下而产生声子带隙的,决定其声子带隙的是材料杨氏模量,泊松比和密度参数。而声光子晶体(PXCs)能够同时产生光子和声子带隙,这类人工晶体能集成对光、声及热的控制,从而有效地增强光子与声子之间的相互作用,可实现高灵敏度、超小体积的生化传感,精密测量以及高效的声光调制等。因此本论文研究了光子晶体与声子晶体相结合而形成的声光子晶体(PXCs),并利用有限元数值模拟方法,研究了二维声光子晶体的能带结构和相应的声光传感,主要内容包括:一、研究二维声光子晶体在比较大的几何尺寸范围下同时产生光子和声子能带的特性,以及大量的光子和声子局域模式出现在无缺陷的二维声光子晶体结构中的特性。这些无缺陷的光子和声子局部模式分布在一定的波长范围,而且可以同时限制电磁波和弹性波,为实现同时的光声传感提供了丰富的可能。二、研究声光子晶体能够通过人为引入点缺陷的方式来实现同时对光子和声子的局域,讨论不同结构的物理参数对二维声光子晶体光声传感灵敏度的影响,例如三角晶格声光子晶体中引入点缺陷而形成的声光子晶体微腔,研究其光声共振特性,然后在这个基础之上同时实现了电磁波和弹性波的高灵敏度传感三、计算在引入未知液体而实现点缺陷的情况下,声光子晶体结构下的二维三角晶格声光子晶体的光传感灵敏度和声传感灵敏度,调整合适的晶格常数实现将光子频率落在可见光频率段,并计算相应的品质因子。研究表明这种引入点缺陷的方式以及相应的几何结构,不仅结构比较简单,而且灵敏度优于目前报道的声光子晶体传感器。本论文的研究结构同时具有光子带隙和声子的带隙,实现了同时操控光子和声子的功能;这种结构能对电磁波和弹性波实现同时局域和传感,有利于监控复杂生化系统中的动态变化;在微纳尺度上更有效率的调制电磁波和弹性波提供一种新的思路。这类结构将在微纳光子学、生物、化学等相关科学与技术领域具有广泛的应用价值。
【学位授予单位】:南昌大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O734

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