雙面金屬包覆波導(dǎo)原理及其應(yīng)用研究.pdf

1、本文利用導(dǎo)波光學(xué)理論在介紹一般介質(zhì)平板波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，著重分析討論了雙面金屬包覆波導(dǎo)的特性。雙面金屬包覆波導(dǎo)由上下兩層金屬薄膜和夾于其間的導(dǎo)波層構(gòu)成。由于上下兩層金屬通常為貴金屬金或銀，其介電系數(shù)在可見光及近紅外區(qū)域，實(shí)部相對其虛部表現(xiàn)為一絕對值很大的負(fù)數(shù)，故這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)有效折射率存在范圍大，可以介于0和無窮大之間;另外，這種雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)波層可以擴(kuò)展到毫米量級，可有效的激發(fā)出有效折射率介于0和1之間的超高階導(dǎo)模，而這種超高階導(dǎo)模

2、具有一系列低階導(dǎo)模所不具有的奇異特性，如有效折射率對激光的入射波長和波導(dǎo)的導(dǎo)波層折射率極其靈敏以及對入射激光偏振態(tài)不敏感等等。
　　 本文利用雙面金屬包覆結(jié)構(gòu)的應(yīng)用之一是提出了一種高靈敏的空芯金屬包覆波導(dǎo)傳感器。這種結(jié)構(gòu)由于雙面金屬包覆，超高階導(dǎo)模的有效折射率可以趨于零，這表明樣品的折射率可不受任何限制，突破了傳統(tǒng)波導(dǎo)有效折射率必須大于覆蓋層折射率的限制，這對水溶液環(huán)境、接近自然狀態(tài)下的生物樣品的研究是十分有利的。特別值得一提的

3、是我們這種結(jié)構(gòu)傳感器的待測樣品是處于光場的振蕩區(qū)域，因此我們常常又稱之為振蕩場傳感器。本文第三章詳細(xì)分析了這種結(jié)構(gòu)傳感器的靈敏度，并與傳統(tǒng)的倏逝場傳感器，如表面等離子共振傳感器、長程表面等離子共振傳感器、泄漏波導(dǎo)傳感器、反對稱波導(dǎo)傳感器的靈敏度進(jìn)行比較分析，得出了物理概念非常清晰的靈敏度統(tǒng)一解析式。并將空芯金屬包覆結(jié)構(gòu)傳感器與現(xiàn)有逝場傳感器結(jié)構(gòu)的靈敏度進(jìn)行了計(jì)算比較，研究表明振蕩場傳感器比現(xiàn)有倏逝場傳感器的靈敏度至少高1-2個數(shù)量級。同

4、時我們詳細(xì)介紹了空芯金屬包覆結(jié)構(gòu)振蕩場傳感器制備流程，并利用自編分析軟件分析了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)對衰減全反射峰的影響。為了測試該傳感器的各項(xiàng)性能，進(jìn)行了葡萄糖低濃度的測量和大腸桿菌在不同溫度下繁殖實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下葡萄糖溶液濃度的探測極限可以達(dá)到1ppm，大腸桿菌繁殖能夠分辨0到30分鐘內(nèi)生長的動態(tài)過程。實(shí)驗(yàn)測試說明器件工作的穩(wěn)定性好，可靠性高，測試成本低廉，有望替代現(xiàn)有倏逝場傳感器成為新一代生物傳感器的發(fā)展方向。
　　

5、 本文利用雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一應(yīng)用是提出了一種能同時測量透明陶瓷玻璃電光系數(shù)和壓電系數(shù)的新方法。透明陶瓷玻璃(PMN-PT)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光開關(guān)、光衰減器，電光調(diào)制器等光電子器件的制備材料。但其電光系數(shù)和壓電系數(shù)的關(guān)系并不被完全清楚，目前人們常常依賴一些模擬分析軟件來加以研究。當(dāng)然，如果僅僅研究其電光系數(shù)，則方法很多，如用一個光束橢偏技術(shù)測量兩個正交平面偏振光和雙光束干涉的相位延遲，如Mach-Zehnder型和邁克爾遜干涉引

6、起的相位延遲測量兩平行平面偏振光的干涉。另一方面，壓電系數(shù)(CPE)系數(shù)的測量常常由IEEE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)提供的共振頻率確定。然而這些不同的測量技術(shù)，要么只能單獨(dú)研究其兩個效應(yīng)的一個，要么忽略其中一種來作近似測量，基本沒有能同時分析電光效應(yīng)和壓電效關(guān)系有效方法。事實(shí)上在PMN-PT透明陶瓷上施加一定電壓時，測量出的參量應(yīng)該是兩種效應(yīng)的綜合結(jié)果。為了更詳細(xì)準(zhǔn)確研究該類材料的壓電效應(yīng)和電光效應(yīng)，迫切需要一種能夠同時測量這類材料壓電系數(shù)和電光系數(shù)的