本文關(guān)鍵詞：基于光學Tamm態(tài)耦合的光子晶體傳感特性研究

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【摘要】：光子晶體作為當今比較新穎的研究課題,利用其禁帶和局域特性可以設計性能優(yōu)良的光學元件,其中基于光子晶體結(jié)構(gòu)設計制作的光學傳感器具有體積小、信號響應速度快、檢測靈敏度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點,已成為光學傳感領(lǐng)域研究的熱點問題。本文從光子晶體基本特性出發(fā),與表面等離子型傳感器相結(jié)合,設計了含金屬插層的光子晶體結(jié)構(gòu),進而引入石墨烯材料對其進行優(yōu)化,并對折射率傳感特性進行分析,為光子晶體傳感器的研究提供了理論支撐。主要進行以下幾個方面的研究工作:首先,基于表面等離子體(SPR)光學特性和光子晶體光學特性,利用光學Tamm態(tài)耦合理論,設計了含金屬插層的光子晶體傳感器。分析了傳感器的傳感機理,建立了待測溶液折射率與諧振波長的數(shù)學模型,并對光子晶體周期數(shù)、入射角度、金屬厚度參數(shù)進行優(yōu)化,使缺陷峰的半高全寬(FWHM)和品質(zhì)因數(shù)(Q值)等特性得到提高。其次,基于含金屬插層的光子晶體傳感結(jié)構(gòu),在金屬插層表面附著一層石墨烯對傳感結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。石墨烯材料具有非常高的表面體積比率,有機物和生物分子的碳基環(huán)結(jié)構(gòu)和石墨烯的六元環(huán)單位可以形成?堆積鍵,相對于金屬銀能有效的固定生物分子,使得電磁波與待測物充分接觸,且石墨烯的加入可以防止金屬銀的氧化。根據(jù)Goos-H?nchen相位移與諧振波長的關(guān)系分析其傳感機理,建立由待測溶液折射率與諧振波長的關(guān)系模型。在此基礎(chǔ)上,對光子晶體層數(shù)和石墨烯層數(shù)進行選擇優(yōu)化,使光譜最為理想。最后,分析SPR折射率傳感器、含金屬插層的光子晶體折射率傳感器和含石墨烯材料的光子晶體折射率傳感器的傳感特性,并對其進行對比。研究結(jié)果表明,光子晶體與表面等離子體型傳感器結(jié)合后,Q值得到很大的提高,且含石墨烯的光子晶體傳感結(jié)構(gòu)的傳感特性比優(yōu)化前提高了很多,證明了該傳感結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,為高Q值和高靈敏度傳感器的設計提供一定的理論參考,顯示了該結(jié)構(gòu)在光學傳感中的應用潛力。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP212;O734

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