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新型磁流体光子晶体传感理论和仿真研究

【摘要】:磁流体(Magnetic fluid)也称磁液(Magnetic liquid),是一种新型的纳米功能材料,由包裹表面活性剂的磁性粒子(如Fe304,MnFe204等)悬浮在基液(水,煤油等)中形成的胶体体系。这种磁液中的磁性粒子在自然情况下的重力场中能够均匀稳定地存在;而在磁场作用下呈链状排列形式,具有较好的磁控特性。磁流体结构具有的磁调谐特性能够表现出很多独特的光学特性,从而使它在光学传感领域有着重要的研究和应用价值。经过进一步研究,发现当对封装在薄膜中的磁流体施加磁场时,形成的磁链能够在外界磁场下逐渐形成类似光子晶体的规则排列结构。这种规则的结构既具有磁流体特性,又具有光子晶体特性。本课题主要以所提出的新型磁流体光子晶体为研究对象,对其微观结构,磁调谐性、光学特性以及传感技术进行研究,研究的内容主要包括以下几个方面:(1)从理论上对磁流体形成磁流体光子晶体的机理进行研究。本文提出一种基于非球形结构的分子动力学方法研究磁流体光子晶体的微观结构形成过程。充分考虑磁流体中磁性粒子间相互作用力以及在外加磁场下微观结构变化的过程,同时对磁性粒子的平动和转动进行分析;首次采用一种新型的基于球杆形粒子结构的分子动力学方法,并采用Fortran语言进行编程计算,分析一定体积分数(1%)的磁流体在不同磁场强度下的微观结构变化过程。结果表明,当磁场强度大于180 Oe时,磁性粒子最终能够聚集形成二维“磁流体光子晶体”。且它的结构在外加磁场强度为180 Oe~320 Oe的范围内具有可调谐性,在这个过程中,磁柱平均直径逐渐减小。(2)在磁流体光子晶体微观结构的基础上,进一步分析磁流体光子晶体的光学特性。建立磁流体薄膜结构模型,并分别研究了光垂直和平行于外加磁场方向的透射特性。当入射光平行于外加磁场方向时,采用蒙特卡洛方法建立光在磁流体薄膜内传输的各个过程的概率模型,并利用这种方法对1550 nm波长的透射特性进行分析,发现当磁场强度从180 Oe增加到320 Oe时,1550 nm光波长的透射率从0.5944增加到0.6475。当入射光垂直于外加磁场方向时,采用磁性介质平面波展开法分析磁流体光子晶体的光子禁带,结果表明,随着磁场强度从180 Oe增加到320 Oe,TE模的禁带发生右移并且带宽减小了 25%,TM模的禁带同样发生右移并且带宽减小了 87%。(3)设计磁流体光子晶体波导结构,对磁流体光子晶体的可调谐慢光特性进行分析。提出一种双填充槽结构,并且在两个槽内分别填充磁流体。这种结构在外加磁场作用下能够形成磁流体光子晶体波导。研究了外磁场强度和磁场强度变化率对磁流体光子晶体波导慢光特性的影响。研究结果表明,磁流体光子晶体的波导结构存在导模,当磁场强度变化率一定,磁场强度增大时,慢光区域所对应的波长范围发生蓝移,实现0.35c以下的群速度。当磁场强度变化率为10 Oe/s时,慢光区域所对应的波长范围随磁场强度的线性度最好。除此之外,温度的变化同样影响慢光特性,当温度升高时,发现慢光区域所对应的波长红移。(4)提出磁流体光子晶体微腔结构,设计一种基于磁流体光子晶体微腔的磁场传感系统。分析磁流体光子晶体微腔的光透射特性。结果表明,当薄膜厚度为6 μ时,随着外加磁场强度增加,谐振峰所对应的中心波长能够从12.38 μm蓝移到8.25 μm,磁场响应的最大灵敏度为24.3 nm/Oe。提出通过减小薄膜厚度来实现谐振峰在近红外区域随磁场的响应。结果发现,当薄膜厚度减小到0.94 μm时,谐振峰能够出现在近红外波段,随磁场的增加,对应的中心波长能够从1.528 μm蓝移到1.452 μm。磁场响应的最大灵敏度为0.38 nm/Oe。(5)提出磁流体光子晶体结合表面等离子体共振的磁场传感结构,分析磁场在对磁流体光子晶体结构调谐过程中,对其共振特性的影响。结果表明,金属薄膜附近的磁流体形成光子晶体结构后能够对表面等离子体波进行调制并对表面等离子体共振角产生影响,当入射光波长为1.8 μm,磁场强度超过150 Oe时,能够在金属膜表面产生倏逝波且与表面等离子体波发生共振。当磁场强度从150 Oe升高到250 Oe时,共振角能够从79.2°增大到85.1°,磁场传感的灵敏度达到0.0612 deg/Oe。本文提出的磁流体光子晶体是一种新型的磁控可调谐光子晶体。通过磁场变化改变晶格常数,进而改变相应的光学特性。将磁流体填充到双槽结构,能够形成磁流体光子晶体波导,实现慢光。将磁流体光子晶体微腔用于磁场传感,可以在中红外和近红外波段实现传感。将磁流体光子晶体与表面等离子体共振技术相结合,可以通过角度调制,实现高灵敏度传感。

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