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高性能光子晶体纳米梁腔的设计与调控

发布时间:2018-04-28 22:26

  本文选题:光子晶体 + 光子晶体纳米梁腔 ; 参考:《湘潭大学》2015年硕士论文


【摘要】:因为光子晶体纳米梁腔(Photonic Crystal Nanobeam Cavities,PCNC)的尺寸小、制备容易且具有极高的品质因子和极小的模体积,在光机力学、低阈值激光器和增强光物相互作用等方面应用非常广泛。为了满足对特定的待测物和在特定的测定条件下进行检测的实际需要,这篇论文设计了两种不同构型的高品质因子低模体积的光子晶体纳米梁腔,探索构型各异的光子晶体纳米梁腔的结构参数是怎样对光子晶体纳米梁腔的各种性能进行影响,并在此基础上对不同构型的光子晶体纳米梁腔进行结构优化,为实际制备基于不同构型的光子晶体纳米梁腔的高灵敏度、高可靠性光学传感器提供理论依据和指导原则。这篇论文中所介绍的光子晶体纳米梁腔,腔中心两边的圆柱形空气孔或者其他结构的孔径是由腔中心向两边逐渐增大的,即一种是圆环型渐变孔径的光子晶体纳米梁腔,另一种是多孔鱼骨型的光子晶体纳米梁腔,在此基础上,主要集中研究以下几个方面:1)初步的研究发现,当普通型的光子晶体纳米梁腔的圆柱形空气孔的半径发生不规则变化时,光子晶体纳米梁腔的品质因子和模体积将相应的发生变化。由于在光子晶体纳米梁腔的制备过程中,所有空气孔都处在相同的制备条件下,因而可认为所有的空气孔在其半径发生变化时具有相同的形变程度。通过定义变化参数来描述所有空气孔半径变化的程度,改变这一参数即可研究空气孔的规则变化对光子晶体纳米梁腔的光学性能的影响;2)在普通型光子晶体纳米梁腔的圆柱形空气孔中在加上一半径小于空气孔半径的圆形介质柱,使得形成空气环。通过改变空气孔和介质柱的半径来调控光子晶体纳米梁腔的光学性能。通过对这两种新型结构纳米梁腔的结构调整和参数优化,我们发现两种结构都有它独特的创新性。鱼骨型光子晶体纳米梁腔不仅在TE极化模式下有超高的品质因子Q和超低的模体积V,在TM极化模式下也能得到超高的品质因子Q和超低的模体积V。这是一个突破,所以我们称之为双极化纳米梁腔。第二种结构从两种对称性入手,通过分析对比,可知这两种对称性也都能得到超高的品质因子Q和超低的模体积V。这两种新型的光子晶体纳米梁腔都像我们预想的一样有非常好的性质。光子晶体的出现就短短的几年或者十几年的时间,但它的发展是迅速的,对于这种性能特别好的新型的光学材料,正在逐渐走入大众的视野,随着科技的不断发展,光子晶体的应用越来越广泛,吸引了人们的目光。本文对光子晶体的概念、起源、物理理论基础等方面展开论述,并且详细分析了计算方法。首次提出两种新型的光子晶体纳米梁腔的结构,取得了初步的成果,为进一步探索纳米梁腔打下了基础。
[Abstract]:Because of its small size, easy preparation, high quality factor and very small mode volume, photonic Crystal Nanobeam Cavities-PCNCis is widely used in optical mechanics, low threshold lasers and enhanced light interaction. In order to meet the practical needs of the detection of specific materials to be tested and under certain conditions, two kinds of high quality factor low mode volume photonic crystal nanobeam cavities with different configurations are designed in this paper. To explore how the structure parameters of photonic crystal nano-beam cavities with different configurations affect the properties of photonic crystal nano-beam cavities, and then optimize the structure of photonic crystal nano-beam cavities with different configurations. It provides a theoretical basis and guiding principle for the practical fabrication of high-sensitivity and high-reliability optical sensors based on different configurations of photonic crystal nano-beam cavities. The photonic crystal nano-beam cavity described in this paper, the diameter of cylindrical air holes or other structures on either side of the cavity center is gradually increasing from the center of the cavity to the two sides, that is, a kind of ring type photonic crystal nano-beam cavity with gradual aperture. The other is a porous fishbone photonic crystal nano-beam cavity. On this basis, we mainly focus on the following aspects: 1) preliminary research findings, When the radius of the cylindrical air hole of the ordinary photonic crystal nano-beam cavity changes irregularly, the quality factor and the mode volume of the photonic crystal nano-beam cavity will change accordingly. Because all the air holes are in the same preparation condition during the preparation of the photonic crystal nano-beam cavity, it can be considered that all the air holes have the same degree of deformation when their radius changes. By defining the change parameters to describe the extent of the change in the radius of all air holes, By changing this parameter, we can study the effect of the regular change of air holes on the optical properties of photonic crystal nanocrystalline beam cavities. 2) add a circular dielectric column with a radius smaller than the radius of air holes in the cylindrical air holes of ordinary photonic crystal nano-beam cavities. The formation of an air ring. The optical properties of photonic crystal nano-beam cavity are controlled by changing the radius of air hole and dielectric column. By adjusting the structure and optimizing the parameters of the two new structures, we find that the two structures have their own unique innovation. The fishbone photonic crystal nano-beam cavity not only has ultra-high quality factor Q and ultra-low mode volume V in te polarization mode, but also obtains ultra-high quality factor Q and ultra-low mode volume V in TM polarization mode. This is a breakthrough, so we call it a double polarized nano beam cavity. The second structure starts with two kinds of symmetries. By analyzing and comparing these two symmetries, we can see that both of the two symmetries can obtain high quality factor Q and ultra-low modulus volume V. These two new photonic crystal nanoscale beam cavities have very good properties as we expected. The appearance of photonic crystals is only a few years or ten years, but its development is rapid. For this new type of optical material with excellent performance, it is gradually coming into the public's view, with the development of science and technology. The application of photonic crystals has attracted more and more attention. In this paper, the concept, origin and physical theory of photonic crystal are discussed, and the calculation method is analyzed in detail. The structure of two new photonic crystal nano-beam cavities is proposed for the first time, and the preliminary results are obtained, which lays the foundation for further exploration of nano-beam cavities.
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O734;TB383.1

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本文编号:1817164

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