光子晶體是在1987年由John和Yablonovitch幾乎同時(shí)提出的一種人工微結(jié)構(gòu)。與利用全反射來實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的引導(dǎo)傳輸不同,光子晶體結(jié)構(gòu)提供了一種全新的導(dǎo)光機(jī)制,其通過周期性排列的電介質(zhì)形成光子帶隙,以實(shí)現(xiàn)對(duì)光子傳輸?shù)囊龑?dǎo)和控制。由于其獨(dú)特的光子帶隙特性,光子晶體被應(yīng)用于各類全光功能器件中,包括波導(dǎo)、濾波器、光纖、激光器、分束器以及傳感器等。而光子晶體傳感器由于其具有響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、易于集成等優(yōu)點(diǎn),在傳感領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。本文使用時(shí)域有限差分方法,基于二維準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)、周期結(jié)構(gòu)光子晶體構(gòu)建了多類缺陷體,通過研究缺陷體的模場(chǎng)空間分布,并比較不同缺陷模場(chǎng)之間的差異,提出了基于十二重準(zhǔn)周期光子晶體的濃度漸變型傳感器和蛋白質(zhì)吸附型傳感器,以及基于硅基、鍺基開槽空氣孔結(jié)構(gòu)的多通道光子晶體傳感器。我們所研究的基于十二重準(zhǔn)周期光子晶體的濃度漸變型傳感器和蛋白質(zhì)吸附型傳感器,是由半導(dǎo)體材料硅柱排列在可自由流動(dòng)的液體環(huán)境中組成的。通過設(shè)計(jì)不同的缺陷體參數(shù),使其靈敏度在不同工作條件下達(dá)到最高值,背景折射率變化的檢測(cè)極限為8.75×10-5 RIU,蛋白質(zhì)吸附厚度變化的檢測(cè)極限為5 n... 

【文章來源】：中央民族大學(xué)北京市 211工程院校 985工程院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

圖２－１．光子晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖??而一旦完整的周期性光子晶體結(jié)構(gòu)被打破，即出現(xiàn)了缺陷態(tài)時(shí)，與缺陷態(tài)能量相吻??

根據(jù)組成光子晶體材料的周期性變化的維度，可以將光子晶體分為三種，如圖２－２??所示：??１．一維光子晶體：材料介電常數(shù)的周期性變化只在一個(gè)維度上產(chǎn)生，在其他兩個(gè)維??度上保持一致，可表示為兩種不同介電常數(shù)的無限大平板、以一定厚度交替疊加，由于??介電常數(shù)只在一個(gè)方向上產(chǎn)生周期性變化，所以光子禁帶也只存在于這一方向上。??２．二維光子晶體：介電常數(shù)在兩個(gè)維度上產(chǎn)生周期性變化，在另外一個(gè)維度上保持??不變，可表示為介電常數(shù)不同、長(zhǎng)度無限的長(zhǎng)條周期性排列，由于介電常數(shù)在兩個(gè)空間??方向均有周期性變化，所以在兩個(gè)方向上均可產(chǎn)生光子禁帶。??３．三維光子晶體：介電常數(shù)在三個(gè)維度上都形成周期性變化，可表示為介電常數(shù)不??同的小方塊或小球在空間中交替排列，類似于魔方。三維光子晶體具有全方位的周期結(jié)??構(gòu)，可在各個(gè)方向產(chǎn)生光子帶隙。??１０?ｉＤ?３?卩??７／７??＿＿＿??（ｉ）?（ｂ）?如??＜ａ）—維光子晶體?（ｂ＞二線尤子晶體?（ｃ）三維光子晶體??圖２－２．三種不同維度的光子晶體結(jié)構(gòu)??２－２光子晶體的制備??自然界中存在著較為稀少的天然光子晶體，但是其產(chǎn)生的隨機(jī)性導(dǎo)致其無法被用于??特定的場(chǎng)合，而光子晶體的帶隙特性導(dǎo)致其每一種應(yīng)用都需要特定的結(jié)構(gòu)，由此需要利??用各種方法去人工制造光子晶體。近些年來，在科研人員的不斷探索與努力下，已經(jīng)積??累了許多對(duì)于光子晶體的制備方案，當(dāng)前制備一維光子晶體的方法主要為各種成熟的鍍??膜工藝方法，相對(duì)來說較為簡(jiǎn)單，這樣能夠獲得較寬的完全帶隙。而制備二維以及三維??光子晶體的技常用的制備方法有：機(jī)械鉆孔法、半導(dǎo)體加工方法、全息光刻法、膠體晶??體自組裝法、反蛋白石結(jié)構(gòu)法等等

２－２－１機(jī)械鉆孔法??精密加工法是最早被報(bào)道的人工制備光子晶體的方法，其具體使在介質(zhì)材料上機(jī)械??鉆孔或刻蝕，通過用半導(dǎo)體離子刻蝕技術(shù)如電子束刻蝕、激光刻蝕和化學(xué)刻蝕等方法，??形成介質(zhì)材料與空氣背景構(gòu)成折射率變化的周期性變化，從而形成光子晶體結(jié)構(gòu)。在??１９９１年，Ｙａｂｌ〇ｎ〇ｖｉｔＣｈ［４３］以此方法制作了世界上第一塊帶有完全光子帶隙的三維光子晶??體，在一片折射率在３．６的ＧａＡｓ介質(zhì)表面上，以偏離垂直法線三十五度從三個(gè)方向打??？Ｌ，各個(gè)孔之間的夾角為１２０°，如圖２－３所示，孔直徑約為１ｍｍ左右，空氣孔與高??折射率基底材料呈現(xiàn)周期性的分布，對(duì)入射光波形成周期性調(diào)制，從而產(chǎn)生光子帶隙，??他們也通過實(shí)驗(yàn)證明了其光子帶隙的存在。??＼?ｆ?／??氣??＼＾＼??圖２－３．機(jī)械鉆孔法制備光子晶體Ｍ??機(jī)械鉆孔法在光子晶體研宄初期成功制備出了光子晶體，但由于這種方法由于工藝??復(fù)雜，成本高昂，且所制得結(jié)構(gòu)層數(shù)少，質(zhì)脆、性能易受環(huán)境影響，雖然己有較成熟的??加工方法，其應(yīng)用受到了較大的限制，目前很少再以這種方法來制備光子晶體。??２－２－２膠體晶體自組裝法??由于膠體內(nèi)部的靜電作用以及范德華力，分散的膠體粒子的稀溶液會(huì)自發(fā)排列形成??面心立方和體心立方等有序結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為膠體晶體。由于膠體晶體的晶格尺寸??７??

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]準(zhǔn)周期光子晶體的傳輸特性[J]. 王義全,關(guān)谷涵.  中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2007(02)



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