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二维波导型超材料传感特性研究

牛文巍  
【摘要】:在过去的几年中,超材料已经从可调控独特电磁特性的范例迅速发展到制造功能器件的基础材料。超材料电磁器件的重要应用之一是超材料传感器,它能够突破传统传感器的灵敏度和分辨率极限。因此,超材料传感器可能会加速传感技术的革命。 本文首先介绍了表面波的性质、二维波导模型的传感原理以及Kerr非线性的性质,研究了超材料层对波导模型的影响,揭示了超材料放大消逝波、提高传感器灵敏度的方法和规律。 论文的主要内容包括以下三部分: 第一部分,首先介绍了二维波导模型下表面波的性质,然后在三层线性平面波导的基础上,在半无限大的包层和导引层之间加了一层超材料,导出了TM模式下的超材料线性平面波导的色散方程和对应传感模型的灵敏度公式,研究了模型参数对其传感性能的影响。仿真结果表明,在导引层和超材料层的边界产生的消逝波可以激励超材料层和包层边界之间的表面波,且包层中的消逝波被超材料放大而不影响波导的传播常数。这种超材料线性平面波导传感模型的灵敏度较传统传感模型有显著提高,且TM模式下的灵敏度比TE模式下的高。 第二部分,首先介绍了Kerr型非线性的性质,然后在三层非线性平面波导的基础上,在半无限大的非线性包层和导引层之间加了一层超材料,导出了TE和TM模式下超材料非线性平面波导的色散方程和对应传感模型的灵敏度公式,研究了模型参数对其传感性能的影响。仿真结果表明,在导引层和超材料层的边界产生的消逝波可以激励超材料层和非线性包层边界之间的表面波,且非线性包层中的消逝波被超材料显著放大。与传统传感模型相比,这种超材料非线性平面波导传感模型的灵敏度显著提高,且在特定的导引层厚度下,TM模式下的灵敏度比TE模式下的高,非线性下的灵敏度比线性的高,反对称模式下的灵敏度比对称模式下的高。 第三部分,首先介绍了微谐振器和表面等离子体谐振器的传感机制,然后在圆柱介质波导表面涂盖一层超材料,导出了涂盖超材料层的圆柱介质波导的色散关系,计算和仿真了电场分布和相应回音壁模式(Whispering gallery mode,WGM)下的谐振频率,并用有限元方法计算了Q值。电场分布和谐振频率的解析分析和数值分析是一致的,证实了数值分析的有效性。仿真结果表明,在圆柱波导表面和超材料层的边界产生的消逝波可以激励超材料层和包层(吸附在超材料层表面的分析物或周围媒质)边界之间的表面波,且包层中的消逝波被超材料放大。在均匀和表面传感下,这种超材料微盘传感模型比传统微盘传感模型有更高的灵敏度。该传感模型的特定灵敏度可以通过调节超材料层厚度来设计,且Q值可以通过调节微盘与直波导之间的耦合距离来制定。


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