光子晶体禁带理论在溶液浓度检测中的应用研究

【摘要】：光子晶体是物质介电常数周期分布的一种新型光学材料。二维光子晶体、光子晶体光纤,光子晶体波导都具有多孔微结构,以便于填充溶液和气体等手段实现传感和检测目的。所以光子晶体传感技术已成为气体浓度检测、环境污染物检测、生物传感器、分子浓度检测和溶液浓度检测等领域的研究热点。这些检测技术,在生物化学中的浓度检测、环境检测、溶液和气体的生产使用等方面有着广泛的应用价值。本文主要研究了基于光子晶体禁带宽度和光子晶体透射率检测氯化铜、硝酸铜、乙酸、乙醇和甲醇溶液浓度的方法。首先通过光子晶体平面波展开法研究了正方晶格光子晶体、三角晶格光子晶体、蜂窝晶格光子晶体和金刚石结构光子晶体的禁带结构。发现蜂窝晶格在较大的介电常数范围内有较宽的光子禁带,并光子晶体禁带宽度随着介电常数变化。金刚石结构光子晶体也有较宽的光子禁带,而且禁带结构的变化对介电常数很敏感。在此基础上,通过数值模拟研究了在蜂窝晶格光子晶体空洞内填入不同浓度的氯化铜和硝酸铜溶液的情形下蜂窝晶格光子晶体禁带宽度和氯化铜、硝酸铜溶液质量摩尔浓度的变化关系。进行数据分析以后发现禁带宽度和浓度之间存在线性关系,得出线性拟合方程和线性拟合率,提出基于蜂窝晶格光子晶体禁带宽度检测氯化铜、硝酸铜溶液的浓度检测方法。在金刚石结构光子晶体的球型空洞内填入乙酸的情况下研究了,金刚石结构光子晶体的禁带宽度和乙酸浓度百分比之间的变化关系。计算结果表明禁带宽度和浓度百分比之间存在线性变化关系。其次,利用基于时域有限差分法计算光子晶体透射率的Meep软件计算出来了正方晶格光子晶体的透射谱。通过电脑数据模拟和仿真在正方晶格光子晶体的空洞内填入乙醇、甲醇溶液的情形下研究了乙醇、甲醇溶液的浓度百分比和正方晶格光子晶体的透射率之间的变化关系。发现透射率和浓度百分比之间存在正比关系。计算出来了浓度和透射率之间的线性拟合方程以及线性拟合度。提出了基于正方晶格光子晶体透射率检测乙醇,甲醇溶液浓度的方法。
【关键词】：光子晶体 光子禁带 平面波展开法 时域有限差分法 质量摩尔浓度
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O734;O645.1