基于对称金属包覆波导的吸收传感及电光双稳特性研究

发布时间：2019-04-15 16:52

【摘要】：对称金属包覆波导(SMCW)结构和三层全介质平板波导一样,由耦合层、导波层和衬底层组成,只是SMCW的耦合层和衬底层均为金属薄膜。由于上下两层金属膜通常为金或银等贵金属,其介电常数是一个复数。而且在光频范围内,实部是绝对值远大于虚部的负数,使得这种结构的波导拥有很多独特的性质。例如导模有效折射率存在范围大,允许空间自由耦合,允许气体和溶液等低折射率介质作为波导结构的导波层,允许导波层厚度扩展到亚毫米尺度。所激发的超高阶导模具有偏振不相关性、慢波特性和场增强效应等。并且反射率对导波层的折射率、厚度和入射光波长的变化非常灵敏。这些特点使SMCM在生化传感器方面有很大的优势。SMCW的衰减全反射曲线(ATR)表明,导波层介电常数虚部的微小变化,会导致反射率的最小值发生明显的改变。并且发现变化趋势与耦合层(即上层金属薄膜)厚度有关。如果耦合层厚度小于临界厚度时,反射率最小值会随着样品吸收系数(即样品介电常数虚部)增大,先减小至零,然后再反向增大;如果耦合层厚度大于临界厚度时,反射率最小值会随着样品吸收系数增大而一直增大。根据这个特点,本文分析了一种新的吸收传感方法,传感原理是通过探测反射率最小值变化而检测样品参数变化。理论表明耦合层厚度越厚,反射率最小值曲线斜率越大,灵敏度也越大,但是传感的范围会越小,并且只有耦合层厚度大于临界厚度时反射率最小值和吸收系数一一对应。均衡考虑,实验中我们把SMCW的耦合层的厚度固定为临界厚度。通过实验测量亚甲基蓝溶液浓度,证明样品吸收系数分辨率可以达到1e-6。基于SMCW的ATR曲线随导波层的折射率变化会左右移动,即固定入射角和入射波长,其反射率会随导波层折射率或者厚度的变化而变化。根据这个特点,本文提出基于SMCW的电光双稳态装置。该装置利用铌酸锂作为SMCW的导波层,将反射光中部分光信号转变为电压信号通过放大器放大后加载在铌酸锂两端面上,利用铌酸锂晶体的逆压电效应和电光效应,形成电光反馈机制,通过模拟输出光强和入射光强之间的关系,在光强毫瓦量级内获得光学双稳特性曲线。数值计算表明入射角越接近共振角,产生双稳态所需光强阈值越低。
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【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O657.3;TP212

【参考文献】