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波导耦合金属和介电材料光子晶体光谱学特性研究

冯胜飞  
【摘要】:波导耦合金属光子晶体是介电材料波导与周期性排列的金属微纳结构相结合的一种复合结构。与介电材料波导光栅结构相比,波导耦合金属光子晶体由于其粒子等离子共振与波导共振模式的反交叉耦合作用,展现出更新颖和更丰富的光物理学特性,可被广泛地应用于生物传感器、气体传感器、光开关、太阳能电池、分布反馈式激光器、偏振滤波器件等。本论文主要从三个方面研究了波导耦合金属光子晶体相关的物理学与应用技术:(1)探寻波导耦合金属光子晶体光谱学响应特性背后的详细物理机理,为其应用开发提供理论指导;(2)将其光学物理机理的特性进一步推广,指出波导共振模式与其他光学共振之间的耦合是一种普遍的物理规律;(3)将波导耦合金属光子晶体与传统的光纤波导相结合,开拓新的应用途径。 论文首先从光谱学特性、制备方法和实际应用三个方面综述了金属光子晶体的研究历史与现状。回顾了介质波导光栅结构的起源,介绍了波导耦合金属光子晶体概念提出的背景,指出介电材料波导光栅结构和波导耦合金属光子晶体在物理机理上的必然联系。 利用波导理论、严格耦合波方法及介电材料波导光栅结构的Ray Picture模型,从理论上系统研究了波导耦合光栅结构中波导共振模式随结构各参数变化时的动态调谐特性,为传感器方面的应用开发提供指导。指出采用TM偏振大入射角入射方式,可以提高其作为生物传感器的灵敏度。并从实验上证明,采用双层波导结构是提高波导耦合金属光子晶体光谱学响应强度的有效手段。鉴于介电材料波导光栅结构与波导耦合金属光子晶体在几何构型上的一致性,并考虑粒子等离子共振的引入是波导耦合金属光子晶体特异光物理学响应的根本所在,故将介电材料波导光栅结构的Ray Picture模型进行修正,为波导耦合金属光子晶体的理论分析建立了一个解析模型,从而直观地将波导共振模式与粒子等离子共振之间的反交叉耦合特性解释为直接透射光与波导传播模式在透射方向上衍射光之间的相干相消效应,而此效应强烈地依赖与两部分光波强度的对比。这样,在波导耦合金属光子晶体中,甚至可以不考虑粒子等离子共振效应,而通过调节波导耦合金属光子晶体中金属膜层的厚度改变直接透射光和衍射光强度间的对比,在TE偏振态下同样实现了波导共振模式的逆转。这对获得波导耦合金属光子晶体的清晰物理图像以及进一步应用技术开发具有重要意义。 提出了利用波导耦合Fabry-Pérot微腔阵列构造新型可调谐、窄带响应光子器件的思想。理论研究表明,波导共振模式与Fabry-Pérot微腔共振模式间的耦合作用表现为反交叉行为。这不仅从新的角度印证了波导耦合金属光子晶体中光物理学机理,同时获得了波导耦合光子结构中一种普遍性的物理规律。这一结论可以作为开发由单一或多种波导结构与周期性纳米结构阵列相结合所构成的新型光子器件的一种指导思想。 提出将波导光栅结构及波导耦合金属光子晶体制备在光纤端面上,实现光纤传导、端面集成的生物传感器的设计思想。在实验上实现了光纤耦合波导光栅结构和光纤耦合金属光子结构的制备和光谱学表征。这为探针式生物传感器的开发提供了现实可行性,使得传感器件具有体积小、携带方便、适于远程检测、抗干扰能力强等诸多优势,为空间狭小,难以接近、高温高压、有毒有害等极端环境下的检测提供了有效途径。


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