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基于光子晶体微腔的矢量光场产生及光学传感研究

【摘要】:光子晶体是一种介电常数在空间呈周期性分布的人工微结构,其晶格周期与光波长处于同一个数量级,从而对相应波长的光波由于布拉格反射而形成光子能带。利用光子能带上导带的丰富模式和禁带对光波的强烈抑制作用,光子晶体可实现灵活的光波传输和有效的光与物质相互作用。如将特殊缺陷引入光子晶体的周期结构中,使其对应的光波模式落在光子禁带中,可形成具有共振模式的光子晶体微腔。一般地,光子晶体微腔的结构缺陷占据一个或数个晶格周期,可在波长尺度对光场进行强烈局域和控制,使其共振模场体积在波长的三次方量级。另一方面,光子禁带提供了优于界面全反射的布拉格反射,可保证光子晶体微腔中共振模场具有高品质因子。因此,光子晶体微腔可将位于其中的光子长时间局域在极小体积内,实现光场的强烈增强。本论文基于高折射率电介质平板上的光子晶体微腔,利用其共振模场的优异特性开展了多种矢量光场的产生以及多物理量的高性能传感研究,主要结果包括:(1)建立了用以表征光子晶体微腔的数值仿真与实验平台。完善了一套利用有限元法(COMSOL Multiphysics)数值模拟光子晶体能带结构和微腔模场分布的研究方案;讨论了光子晶体微腔的缺陷结构、晶格周期、空气孔半径等对其能带结构、模场分布、共振光谱以及品质因子的影响规律;搭建了一套正交偏振共聚焦显微系统,通过光子晶体微腔的模场散射成功测量了其共振光谱,并系统讨论了光子晶体微腔中洛伦兹线型与法诺(Fano)线型的转换行为;利用光子晶体微腔增强光与二维硒化镓材料的相互作用,以微瓦量级的连续激光实现了硒化镓中二次谐波的产生。(2)数值模拟和实验研究了光子晶体微腔中的矢量光场产生。基于光子晶体微腔的灵活可调性,设计了多种光子晶体微腔结构,通过分析微腔共振模场的相位结构和偏振态分布,揭示了矢量模式的产生机制;利用瑞利-索末菲衍射理论,讨论了微腔矢量模场的远场辐射特性,证实了利用光子晶体微腔可在远场实现矢量光场;制备了多量子阱InGaAs/GaAs基的多缺陷型和环形光子晶体微腔,搭建了低温荧光表征系统,在变温环境下,探究了两种微腔的荧光共振信号,分析了矢量光场的受激辐射条件。(3)数值模拟分析了多芯光子晶体光纤中矢量光场的产生。设计了六芯光子晶体光纤结构,并采用有限元法数值分析了其模场分布,揭示了四种离散型矢量模式;进一步提出将保偏光纤的设计思路融入到六芯光子晶体光纤的方案,通过引入模式高折射率差和缺陷模式,可有效消除偏振模色散及耦合对矢量模式的影响,实现具有角向偏振或径向偏振分布的矢量光场在光子晶体光纤中的高纯度稳定传输。(4)通过在硅基平板光子晶体微腔上集成对不同物理量敏感的薄膜材料,实现了多种物理量(温度、湿度和有机挥发性气体等)的高性能光学传感。由于平板光子晶体微腔的厚度仅为220nm,其共振模场在平板上具有强烈的倏逝场,可与集成的薄膜材料发生强烈相互作用。当薄膜材料受到不同物理场的作用后,其折射率的微弱变化可使光子晶体微腔共振波长产生强烈移动,从而实现对相应物理量的高灵敏度感知。实验结果表明:在30℃~100℃范围内,硅基光子晶体微腔的温度灵敏度为70 pm/℃;在相对湿度40~90%RH范围内,聚乙烯醇-光子晶体微腔的湿度灵敏度为129 pm/%RH,响应时间和恢复时间分别为150ms和2.7s;氧化石墨烯-光子晶体微腔在高湿度情况下(60%RH)的湿度灵敏度为0.68 nm/%RH,比采用聚乙烯醇作为湿敏材料时的灵敏度高出五倍左右,其响应时间达到96ms;二硫化钼-光子晶体微腔对含氧原子的有机挥发性气体具有选择性响应,且响应时间达到300ms。

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