基于倏逝波谐振的空气栅光子晶体F-P腔折射率传感特性研究

基于倏逝波理论和光学谐振原理,研究了倏逝波在光子晶体中的存在形式及空气栅光子晶体F-P腔的折射率传感机理,并建立谐振波长与待测气体折射率的关系模型。当入射光以大于全反射临界角的角度入射到光子晶体中,由于倏逝波的作用,在中心介质层形成F-P腔并产生谐振,电磁场被局部增强,与待测气体充分作用,从而使该传感结构对待测气体的折射率具有较高的敏感性。利用传输矩阵理论进行数值模拟,结果表明,折射率传感的Q值可达3447.0,灵敏度可达1260.0 nm/RIU,证明该光子晶体F-P腔折射率传感结构具有很好的传感特性,可为高精度气体折射率传感器的设计与应用提供一定的理论参考。     

红外波段光子晶体线性折射率传感器设计

基于传输矩阵理论和光学谐振原理,研究了含敏感空气缺陷层的一维光子晶体谐振腔的谐振特性,建立起敏感气体折射率变与红外波段谐振峰波长之间的线性变化关系。设计了基于红外波段光子晶体谐振腔的线性折射率传感器,利用MATLAB软件数值模拟,得到线性传感器的半峰带宽小到3nm左右、Q值可达到1400、敏感度可达1070nm/RIU。在光谱仪的分辨率为0.01nm时,传感器的分辨率可达9.35×10-6 RIU。结果表明,基于光子晶体结构的折射率传感器,具有良好的线性特性、高的灵敏度以及高Q值等特点,可为气体折射率检测提供一定的理论参考。     

多孔硅表面缺陷光子晶体的传感模型及特性

提出了多孔硅表面缺陷光子晶体结构,引入多孔硅敏感层及吸收介质层形成表面缺陷腔,利用多孔硅高效的承载机制,将其作为待测样本的传感区域;由于吸收介质Zn S对谐振波长的吸收,可在反射光谱中获得与谐振波长对应的缺陷峰。以多孔硅的厚度为被优化变量,利用反向传播神经网络进行结构参数优化获得多孔硅的厚度最优值。由Goos-H?nchen位移建立待测样本浓度与缺陷峰波长的关系模型,进而对该结构进行传感特性分析。结果表明,优化结构参数后,缺陷峰对应的反射率由31.23%下降到0.00129%,其Q值可达1537.37。在传感特性研究中,每1%质量分数的灵敏度为2.5 nm。该表面缺陷光子晶体传感结构可为样本浓度、组分等信息的监测提供一定的理论参考。     

含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构的传感特性研究

结合光子晶体的缺陷模式和表面模式特性,提出了一种含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构。该结构由周期性光子晶体、待测样本和外部空气层共同组成,将待测样本直接作为表面缺陷腔。基于光学谐振原理和表面波理论,分析了所提结构的折射率传感机理。讨论了不同吸收介质对所提结构光谱特性的影响。将石墨烯作为吸收介质时,传感结构的品质因子(Q值)明显高于将硫化锌、氧化铝和金属银作为吸收介质的情况;将样本层作为表面缺陷腔,通过光学Tamm态谐振,可实现多次全反射衰荡,使谐振光信号和待测样本充分作用,从而提高了该结构的传感灵敏度。所提结构的Q值为2097.18,灵敏度为1017.98nm/RIU。研究结果对实现待测物的高Q值和高灵敏度检测具有一定的理论参考价值。     

带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理

结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理,在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅,并利用其高效的承载机制,提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构.在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态,通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射,并在缺陷腔中加入吸收介质,使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡,从而在反射谱中得到缺陷峰;调整光子晶体参数,使缺陷峰的半高全宽得到优化,提高其品质因数(Q值);在此基础上,根据Goos-H?nchen相位移与谐振波长的关系,建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型,并分析其折射率传感特性.结果表明,此生物传感结构Q值为1429,灵敏度为546.67 nm/RIU,证明了该传感结构的有效性,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.     

利用光子晶体测量透明液体折射率

设计了用反Opal结构光子晶体测量透明液体折射率的实验.根据布拉格公式推导了用反Opal光子晶体测量透明液体折射率的公式.利用紫外-可见分光光度计分别测得光子晶体处于空气和透明液体中的透射谱,由透射谱分别确定光子晶体处于2种介质中的禁带中心波长,将中心波长代入测量公式即可得到透明液体折射率.实验测量了水和甘油的折射率,得到了与公认值相吻合的结果.     

晶格旋转光子晶体Mach-Zehnder干涉结构传感特性

基于光子晶体的自准直效应,利用在同一背景折射率下不同介质柱的等效折射率的不同,提出了一种基于晶格旋转的二维光子晶体Mach-Zehnder干涉仪折射率传感器。分别应用线缺陷和空气平板波导构成其分束镜和全反镜,并在其中一个干涉臂上设置传感区域。通过改变填充到传感区域溶液的浓度,改变介质柱的折射率,进而影响透射谱的中心波长,从而建立起溶液浓度和透射波长之间的数学关系;并进行了酒精溶液浓度测量的数值模拟,结果表明,该传感器在1.33~1.37折射率变化范围内灵敏度为250nm/RIU。     

单轴应力对一维镜像光子晶体光子局域态透射峰的影响

利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维光子晶体中的光子局域态随单轴应力发生变化的特性. 对于镜像异质三周期光子晶体, 由于其镜像结构, 破坏了光子晶体的有序性, 产生了一个缺陷态, 使其在较宽的光子禁带中心有一个光子局域态透射峰. 研究表明: 当对镜像异质三周期光子晶体施加单轴应力时, 其中的光子局域态透射峰会随着应力的改变而发生剧烈的变化. 当外部微弱的机械应力施加到光子晶体上时, 对光子晶体形成一个拉伸应变, 拉伸应变引起光子晶体结构的变化, 进而大幅度影响光子局域态透射峰的透射率.结果表明: 透射峰的透射率明显受单轴应力的影响. 这些特性可为用此结构的光子晶体设计超高灵敏度压力传感器提供理论参考. 关键词： 光子晶体 单轴应力 光子局域态 传输矩阵     

多通道可调TM偏振滤波特性研究

基于光子晶体的光子局域特性,并利用液晶的电控双折射效应,设计了一种新型的多通道可调滤波器。采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了数值模拟,分析了透射谱与晶体结构参数的关系,讨论了大角度入射光子晶体时电控双折射效应对透射谱的影响。结果表明:当入射角为89°时会出现多个间距不等的高透射率的透射峰。随着各液晶层折射率的增加,缺陷模发生红移。当向光子晶体施加电压时,透射峰的位置发生蓝移,但透射峰峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性。该光子晶体滤波器结构简单,可调谐性好,在波分复用系统光源、光谱分析仪和信道监测中有一定的应用价值。     

光子晶体光纤气体传感灵敏度的有限差分法分析

提出了一种适合于高灵敏度气体传感器的新型光子晶体光纤结构.采用全矢量频域有限差分方法，研究了基于不同结构光子晶体光纤的气体传感器的相对灵敏度.由全矢量频域有限差分法，通过直接求解由麦克斯韦方程组导出的标准特征值方程，可以得到光纤中可能存在的不同模式的传播常量、电场分布和磁场分布.分别给出了三种不同结构光子晶体光纤在波长为1.3312 μm处，与结构参量变化对应的相对灵敏度变化以及在不同波长情况下的相对灵敏度变化.结果证明,该新结构具有较其它代表性的折射率引导型光子晶体光纤结构更高的灵敏度，特别适合作气体传感器.     

基于表面等离子体共振和定向耦合的D形光子晶体光纤折射率和温度传感器

利用光子晶体光纤结构的灵活性和性能的优越性, 设计了一种基于D形光子晶体光纤的折射率和温度传感器. 在D形光子晶体光纤表面抛磨并镀上金纳米薄膜, 作为表面等离子体共振传感通道用来测量液体折射率; 在包层的一个空气孔中填充温敏液体甲苯, 作为定向耦合通道实现对温度的测量. 进一步的数值计算发现, 基于定向耦合效应的温度传感和基于表面等离子体共振的折射率传感相互独立, D形光子晶体光纤同时进行折射率和温度传感检测. 在各向异性的完美匹配层边界条件下利用全矢量有限元法对该传感器特性进行了数值研究, 发现D形光子晶体光纤的空气孔直径决定了定向耦合吸收峰的中心波长和温度传感的灵敏度, 金薄膜的厚度和D形结构的抛磨深度仅影响表面等离子体共振峰的相对强度. 结果表明: 该传感器在-10–80 ℃的温度范围内具有11.6 nm/℃的温度灵敏度, 在1.34–1.44折射率范围内折射率灵敏度最高可达26000 nm/RIU.     

对称双缺陷光子晶体的可调谐滤波特性分析

基于光子晶体的光子局域特性,并利用光子晶体的介观压光效应,提出了一种新型的双通道可调滤波器结构.采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了理论推导,建立了透射谱与光子晶体结构参数的关系,讨论了介观压光效应对双缺陷光子晶体透射谱的影响,并对所设计的光子晶体结构进行了数值模拟.结果表明:随着入射角度的增大,缺陷峰发生蓝移.随着各介质层折射率或几何厚度的增加,缺陷峰发生红移.当光子晶体发生轴向拉伸应变时,缺陷峰的位置向长波长移动,但缺陷峰的峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性.该光子晶体滤波器结构紧凑,可调谐性好,为光子晶体激光器及传感器的设计提供了一定的理论参考.     

基于空气孔的光子晶体亚波长成像的特性研究

负折射率材料因为其奇异的特性成为广泛研究的对象,尤其是光子晶体平板的完美成像.本文采用空气孔在硅介质中周期性排列构成六角结构的光子晶体结构,用平面波展开法及FDTD方法,研究了该光子晶体的亚波长成像能力还研究了入射波长以及温度漂移对该光子晶体平面亚波长成像的影响.     

具有镜像对称结构的一维光子晶体的透射谱

计算了具有镜像对称性结构的一维光子晶体的透射谱.在光子晶体的禁带中得到了多个完全透射峰.用数学归纳法得到了简单的迭代关系式用以计算多个完全透射峰的频率.只要结构具有镜像对称性，中心透射峰总是存在，而其他透射峰则依赖于缺陷的位置和折射率.适当选择对称结构，可以得到一个近完全透射带. 关键词： 光子晶体 缺陷模 透射谱     

光子晶体光纤光栅谱特性的数值模拟研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化(间隙孔半径、层数)与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变、层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。     

液体填充光子晶体光纤长周期光栅双谐振温度传感器的设计与优化

本文在正六边形光子晶体光纤长周期光栅包层空气孔中选择性填充液体材料,设计并优化一种高灵敏度长周期光栅双谐振温度传感器。基于模式耦合理论建立光纤光栅传感模型,发现在包层空气孔填充特定折射率液体材料后,同一光栅周期下,模型分别在短波长、长波长处出现透射谐振峰,然后利用全矢量有限元法在完美匹配层边界条件下对模型的温度特性进行了数值分析。结果表明:当包层空气孔中填充磁流体时,随着温度的升高,左峰(短波长处)中心波长蓝移,右峰(长波长处)中心波长红移,且左、右峰间隔随温度变化曲线近似线性,其温度灵敏度为11.40nm/℃;当第一层空气孔中填充折射率温度系数更高的乙醇,其他空气孔中填充磁流体时,左、右峰间隔的温度灵敏度为2.99nm/℃。     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

一种基于结构性改变的光子晶体光纤光栅理论研究

对一种新型基于结构性改变的光子晶体光纤光栅原理进行了研究.采用多极法分析了结构性改变对折射率的影响,得到有效折射率与包层气孔塌缩之间的关系,建立了结构性改变光子晶体光纤光栅模型.利用耦合模理论对所成光栅性能进行了分析,重点研究了包层空气孔层数、空气孔占空比、气孔塌缩程度对光栅谐振波长、带宽的影响.研究结果表明,光子晶体...     

镜像对称结构一维光子晶体的透射谱研究

用传输矩阵法研究镜像对称结构一维光子晶体（ABCB）m（BCBA）m的透射谱,发现：在很宽的禁带范围内出现单条透射峰,透射峰随m的增加而越来越锋锐;随着A层介质厚度dA和折射率nA的增大,透射峰向高频方向移动;随着B层介质厚度dB和折射率nB的增大,透射峰则向低频方向移动;随着C层介质折射率nC的增大,透射峰则快速向低频方向移动;随着入射角θ的增大,透射峰向高频方向移动的同时禁带宽度也跟随着变化。此镜像对称结构光子晶体的光传输特性对光子晶体设计新型光学器件有一定的参考意义。     

一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感

设计了一种基于模间干涉的亚波长直径光纤气体折射率传感方案,并分析了其测量灵敏度.将标准单模光纤和一段仅传输基模与二阶模的无包层亚波长直径光纤结合形成传感头,通过分析传感头外气体折射率的变化对两个模式干涉谱峰值移动的影响,研究了这种传感器的折射率测量灵敏度.结果表明,这种传感器的灵敏度高于利用折射率引导型光子晶体光纤的基于模间干涉的折射率传感器.因为没有气体向微孔扩散的过程,这种基于模间干涉的亚波长光纤折射率传感器可用于实时探测.