基于二维光子晶体负折射效应的光学传感器研究及应用

【摘要】：光子晶体是一种由不同介电常数的介质材料在空间上周期排列的结构,其基本特征是具有光子禁带。光子禁带可以对在光子晶体中传播的光子进行控制,所以人们可以通过改变光子晶体的能带结构来实现对光的调控。光子晶体的这种对光的控制作用使其在各种光电器件中具有广泛的应用前景。与传统光电传感器比较,基于光子晶体的传感器具备光子晶体带来的快速响应、操作便捷、体积小、免受电磁干扰、寿命长和易于与激光器集成等优势,使其更加符合器件集成化发展的趋势。鉴于此,本文对三角晶格光子晶体的负折射特性进行了研究,并在最后提出了基于二维光子晶体负折射效应的光学传感器应用。文中利用平面波展开法和时域有限差法从理论上研究了硅介质柱的三角晶格结构光子晶体的各种光学特性。首先对介质柱半径常数b改变对光子禁带的影响做了分析,并讨论了这些改变对具有负折射效应的频率带所造成的影响。然后讨论了基底介质折射率发生变化时对光子禁带的影响。随后讨论分析了入射光频率在禁带附近变化对负折射偏折角度、输出功率的影响。基于对这种结构的光子晶体的光子禁带及负折射现象的研究分析,我们经过优化处理后得到了光子晶体中基底介质折射率与负折射输出功率的关系,将其用于基于二维光子晶体负折射效应的流体折射率探测器应用中。结合基底介质折射率和糖溶液浓度的对应关系,我们获得了糖溶液浓度与负折射输出功率的一个线性关系,将其应用于基于二维光子晶体负折射效应的糖溶液浓度检测器的应用。基于二维光子晶体负折射效应的流体折射率探测器的折射率探测范围是1.33-1.49,基于二维光子晶体负折射效应的糖溶液浓度检测器的浓度探测范围是0-60%。
【关键词】：光子晶体 负折射 传感器 流体折射率探测 浓度检测
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O734;TP212