本文選題：生物傳感器　切入點：偏振分束器　出處：《南京理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：光子學(xué)是一門以光子為主要信息載體的學(xué)科。隨著人類社會進入21世紀,科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,光學(xué)信息技術(shù)在各個領(lǐng)域中都具有非常重要的地位�；趥鹘y(tǒng)光學(xué)原理的光子學(xué)技術(shù),由于受到衍射極限的限制,很難在納米尺度層面上有突破性的發(fā)展。因此,突破傳統(tǒng)光學(xué)的一個重要的新概念——納米光子學(xué)作為光子學(xué)科的分支應(yīng)運而生。本論文主要研究了孤立的與周期性的納米光子結(jié)構(gòu)的光傳輸特性,并設(shè)計了幾種納米光學(xué)器件,討論了其在生物傳感與納米光學(xué)集成方面的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容如下:(1)提出了一種基于光柵結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振生物傳感器。采用時域有限差分法,討論了金、銀和鋁材料,對傳感器響應(yīng)信號的影響。數(shù)值分析表明,基于鋁材料的傳感器具有更好的傳感特性,設(shè)計所得傳感器靈敏度值為247.2 °/RIU,相比于傳統(tǒng)光柵型傳感器提高了 150%。(2)提出了一種基于雙層介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)的偏振分束器。采用嚴格耦合波分析法,討論了該偏振分束器的工作波長與角度帶寬。數(shù)值分析表明,當入射角在48°到72°,入射波長在1.5μm到1.6μm范圍內(nèi),分束后得到的TE與TM波的衍射效率均能大于90%。解決了傳統(tǒng)光柵型偏振分束器需要固定單一入射波長或入射角度的缺陷。(3)基于高對比度光柵結(jié)構(gòu)對正入射表面的寬頻光能產(chǎn)生非常強反射率的特點,設(shè)計了一種聚焦反射器。采用時域有限差分法,討論了不同偏振入射光的聚焦現(xiàn)象。數(shù)值分析表明,隨著入射波長從1.55μ 變化到2 μm,該器件對TE和TM偏振光均能產(chǎn)生聚焦現(xiàn)象,具有偏振無關(guān)性。(4)結(jié)合金屬納米球回路理論和傳輸線理論,提出了一套計算共振金屬納米棒反射相位的分析理論。通過與基于時域有限差分法的復(fù)合數(shù)值計算結(jié)果相比較,該分析理論在納米棒直徑小于70 nm時有很好的準確性。隨著納米棒直徑的增加,準靜態(tài)近似不再適用,此時分析理論結(jié)果開始偏離復(fù)合數(shù)值計算結(jié)果,變的不再準確。(5)研究了可見光范圍內(nèi)的單狹縫透射抑制現(xiàn)象。通過公式推導(dǎo),仿真模擬和實驗檢測,證明了在TM偏振光入射條件下,隨著狹縫的寬度從20 nm變化到70 nm,透射譜在波長約為510nm處均存在光透射抑制現(xiàn)象。(6)研究了金膜上不同開口寬度的納米雙孔結(jié)構(gòu)的三次諧波產(chǎn)生。實驗檢測與基于三維時域有限差分法的仿真計算同時表明,納米雙孔結(jié)構(gòu)的三次諧波產(chǎn)生信號峰值會隨著雙孔結(jié)構(gòu)開口寬度的變小而增大。
[Abstract]:Photonics is a subject in which photons are the main carrier of information. With the development of science and technology in 21th century, Optical information technology plays a very important role in all fields. Photonics based on traditional optical principle is difficult to make a breakthrough in nanometer scale because of the limitation of diffraction limit. Nanometer photonics, an important new concept of traditional optics, came into being as a branch of photonics. In this paper, the optical propagation characteristics of isolated and periodic nano-photonic structures are studied, and several kinds of nano-optical devices are designed. In this paper, its application in the integration of biosensor and nano-optics is discussed. (1) A surface plasmon resonance biosensor based on grating structure is proposed. Gold is discussed by using finite-difference time-domain (FDTD) method. The effect of silver and aluminum on the sensor response signal. Numerical analysis shows that the sensor based on aluminum material has better sensing characteristics. The sensitivity of the sensor designed is 247.2 擄/ r RIU.Compared with the traditional grating sensor, a polarization beam splitter based on double-layer dielectric grating structure is proposed. The working wavelength and angular bandwidth of the polarization splitter are discussed. Numerical analysis shows that when the incident angle is between 48 擄and 72 擄, the incident wavelength is in the range of 1.5 渭 m to 1.6 渭 m. The diffraction efficiency of te and TM waves obtained by beam splitting can be higher than 90. The defect of traditional grating polarization beam splitter, which needs to fix single incident wavelength or incidence angle, is solved. The width of normal incident surface based on high contrast grating structure is solved. The characteristic that frequency light energy produces very strong reflectivity, A focusing reflector is designed. The focusing phenomenon of different polarization incident light is discussed by using finite-difference time-domain method. Numerical analysis shows that the focusing phenomenon of te and TM polarized light can be produced by the device with incident wavelength varying from 1.55 渭 to 2 渭 m. Combining with the theory of metal nanospheres loop and transmission line theory, a set of analytical theories for calculating the reflection phase of resonant metal nanorods are proposed. The results are compared with the composite numerical results based on finite-difference time-domain method (FDTD). The analytical theory is accurate when the diameter of nanorods is less than 70 nm. With the increase of the diameter of nanorods, the quasi-static approximation is no longer applicable. The phenomenon of single slit transmission suppression in the visible light range is studied. Through formula derivation, simulation and experimental detection, it is proved that under the condition of TM polarized light incidence, With the width of the slit varying from 20 nm to 70 nm, the optical transmission suppression was observed at the wavelength of about 510 nm.) the third harmonic generation of nanocrystalline double pore structures with different opening widths on the gold film was investigated. The simulation results of 3D finite-difference time-domain method also show that, The peak value of the signal generated by the third harmonic wave will increase with the decrease of the opening width of the double pore nanostructure.
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212;TN256

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本文編號：1592961