平面光柵陣列納米尺度光子控制及其應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、目前，實(shí)現(xiàn)納米尺度的光學(xué)控制主要有兩種方法，一種方法是利用周期性的光子晶體結(jié)構(gòu)控制光的色散和傳播性質(zhì)。另一種方法是利用表面等離子體激元約束光的傳播和分布。盡管光柵是控制光路的基本元件，研究比較完備，但是多個(gè)光柵的微納量級(jí)的排列所具有的控光效應(yīng)還缺乏深入細(xì)致的研究。
　　 本論文在973前期專項(xiàng)項(xiàng)目（No.2005CCA04200）“納米光電子器件基礎(chǔ)研究”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.60807017）“基于局域場(chǎng)拉曼增強(qiáng)效應(yīng)的

2、分布式光纖氣敏傳感技術(shù)研究”支持下，開展了基于平面介質(zhì)柵陣列的光子晶體結(jié)構(gòu)和級(jí)聯(lián)的亞波長平面介質(zhì)柵結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究，主要的研究工作如下：
　　 （1）提出了平面介質(zhì)柵為基本單元的正方點(diǎn)陣二維光子晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)合基本單元的特征，理論推導(dǎo)了對(duì)電場(chǎng)分量展開的平面波算法公式，相應(yīng)的計(jì)算程序能夠重復(fù)相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)基于電場(chǎng)展開的平面波方法收斂更快。理論計(jì)算了三種典型調(diào)制條件的光子帶隙圖，降低構(gòu)成光子晶體的基本單元的折射率對(duì)稱性，可以有效

3、打開TE模的高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶，從而獲得絕對(duì)帶隙。也討論了本模型在實(shí)際中受到限制的調(diào)制項(xiàng)——折射率調(diào)制度，對(duì)絕對(duì)帶隙寬度的影響。結(jié)果表明，基于平面介質(zhì)柵正方形陣列的光子晶體，易于形成大的絕對(duì)帶隙，比采用其他復(fù)合結(jié)構(gòu)光子晶體更簡(jiǎn)便。
　　 （2）研究了基于二維正方晶格的光子晶體壓力傳感器。本文采用經(jīng)典的平面波展開法計(jì)算了橫向禁帶特性與外界壓力的關(guān)系，模擬結(jié)果表明我們?cè)O(shè)計(jì)的光子晶體壓力傳感器具有高的壓力靈敏度，寬廣的壓力調(diào)節(jié)范圍，可以

4、承受高達(dá)40GPa的壓力。
　　 （3）提出了級(jí)聯(lián)亞波長平面介質(zhì)柵這一新穎結(jié)構(gòu)，并擴(kuò)展了嚴(yán)格耦合波方法使之能處理兩層光柵結(jié)構(gòu)。為了計(jì)算該結(jié)構(gòu)的衍射特性，我們首先利用嚴(yán)格耦合波方法研究推導(dǎo)了標(biāo)準(zhǔn)三層平面介質(zhì)柵衍射公式，重復(fù)了相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)果，驗(yàn)證了對(duì)嚴(yán)格耦合波方法理解的正確性。在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展了嚴(yán)格耦合波方法，將嚴(yán)格耦合波方法擴(kuò)展到處理二層光柵的情況。并利用數(shù)值計(jì)算的方法研究了該結(jié)構(gòu)的衍射特性及近場(chǎng)場(chǎng)量分布圖。該結(jié)構(gòu)有多波長共振特性且

5、有表面等離子共振引起的透射增強(qiáng)效應(yīng)和導(dǎo)模共振引起的透射增強(qiáng)效應(yīng)。也比較了四層單光柵結(jié)構(gòu)和五層級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的衍射特性，發(fā)現(xiàn)不論是納米級(jí)的金屬連接層還是介質(zhì)連接層的級(jí)聯(lián)光柵，由于對(duì)稱性可以讓連接層兩側(cè)的導(dǎo)模或者表面等離子?；プ饔?，使得透射或反射大大增強(qiáng)。利用光柵級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的這種新穎的衍射特性，可以設(shè)計(jì)各種光電子器件。
　　 （4）提出了基于級(jí)聯(lián)亞波長平面光柵的寬光譜偏振分束器。由于級(jí)聯(lián)亞波長平面光柵的多波長共振特性和透射增強(qiáng)效應(yīng)，通過適當(dāng)