基于纳米光子结构的光学器件设计与光传输特性的研究

发布时间:2018-03-10 10:33

  本文选题:生物传感器 切入点:偏振分束器 出处:《南京理工大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:光子学是一门以光子为主要信息载体的学科。随着人类社会进入21世纪,科学技术飞速发展,光学信息技术在各个领域中都具有非常重要的地位。基于传统光学原理的光子学技术,由于受到衍射极限的限制,很难在纳米尺度层面上有突破性的发展。因此,突破传统光学的一个重要的新概念——纳米光子学作为光子学科的分支应运而生。本论文主要研究了孤立的与周期性的纳米光子结构的光传输特性,并设计了几种纳米光学器件,讨论了其在生物传感与纳米光学集成方面的应用。具体研究内容如下:(1)提出了一种基于光栅结构的表面等离子体共振生物传感器。采用时域有限差分法,讨论了金、银和铝材料,对传感器响应信号的影响。数值分析表明,基于铝材料的传感器具有更好的传感特性,设计所得传感器灵敏度值为247.2 °/RIU,相比于传统光栅型传感器提高了 150%。(2)提出了一种基于双层介质光栅结构的偏振分束器。采用严格耦合波分析法,讨论了该偏振分束器的工作波长与角度带宽。数值分析表明,当入射角在48°到72°,入射波长在1.5μm到1.6μm范围内,分束后得到的TE与TM波的衍射效率均能大于90%。解决了传统光栅型偏振分束器需要固定单一入射波长或入射角度的缺陷。(3)基于高对比度光栅结构对正入射表面的宽频光能产生非常强反射率的特点,设计了一种聚焦反射器。采用时域有限差分法,讨论了不同偏振入射光的聚焦现象。数值分析表明,随着入射波长从1.55μ 变化到2 μm,该器件对TE和TM偏振光均能产生聚焦现象,具有偏振无关性。(4)结合金属纳米球回路理论和传输线理论,提出了一套计算共振金属纳米棒反射相位的分析理论。通过与基于时域有限差分法的复合数值计算结果相比较,该分析理论在纳米棒直径小于70 nm时有很好的准确性。随着纳米棒直径的增加,准静态近似不再适用,此时分析理论结果开始偏离复合数值计算结果,变的不再准确。(5)研究了可见光范围内的单狭缝透射抑制现象。通过公式推导,仿真模拟和实验检测,证明了在TM偏振光入射条件下,随着狭缝的宽度从20 nm变化到70 nm,透射谱在波长约为510nm处均存在光透射抑制现象。(6)研究了金膜上不同开口宽度的纳米双孔结构的三次谐波产生。实验检测与基于三维时域有限差分法的仿真计算同时表明,纳米双孔结构的三次谐波产生信号峰值会随着双孔结构开口宽度的变小而增大。
[Abstract]:Photonics is a subject in which photons are the main carrier of information. With the development of science and technology in 21th century, Optical information technology plays a very important role in all fields. Photonics based on traditional optical principle is difficult to make a breakthrough in nanometer scale because of the limitation of diffraction limit. Nanometer photonics, an important new concept of traditional optics, came into being as a branch of photonics. In this paper, the optical propagation characteristics of isolated and periodic nano-photonic structures are studied, and several kinds of nano-optical devices are designed. In this paper, its application in the integration of biosensor and nano-optics is discussed. (1) A surface plasmon resonance biosensor based on grating structure is proposed. Gold is discussed by using finite-difference time-domain (FDTD) method. The effect of silver and aluminum on the sensor response signal. Numerical analysis shows that the sensor based on aluminum material has better sensing characteristics. The sensitivity of the sensor designed is 247.2 掳/ r RIU.Compared with the traditional grating sensor, a polarization beam splitter based on double-layer dielectric grating structure is proposed. The working wavelength and angular bandwidth of the polarization splitter are discussed. Numerical analysis shows that when the incident angle is between 48 掳and 72 掳, the incident wavelength is in the range of 1.5 渭 m to 1.6 渭 m. The diffraction efficiency of te and TM waves obtained by beam splitting can be higher than 90. The defect of traditional grating polarization beam splitter, which needs to fix single incident wavelength or incidence angle, is solved. The width of normal incident surface based on high contrast grating structure is solved. The characteristic that frequency light energy produces very strong reflectivity, A focusing reflector is designed. The focusing phenomenon of different polarization incident light is discussed by using finite-difference time-domain method. Numerical analysis shows that the focusing phenomenon of te and TM polarized light can be produced by the device with incident wavelength varying from 1.55 渭 to 2 渭 m. Combining with the theory of metal nanospheres loop and transmission line theory, a set of analytical theories for calculating the reflection phase of resonant metal nanorods are proposed. The results are compared with the composite numerical results based on finite-difference time-domain method (FDTD). The analytical theory is accurate when the diameter of nanorods is less than 70 nm. With the increase of the diameter of nanorods, the quasi-static approximation is no longer applicable. The phenomenon of single slit transmission suppression in the visible light range is studied. Through formula derivation, simulation and experimental detection, it is proved that under the condition of TM polarized light incidence, With the width of the slit varying from 20 nm to 70 nm, the optical transmission suppression was observed at the wavelength of about 510 nm.) the third harmonic generation of nanocrystalline double pore structures with different opening widths on the gold film was investigated. The simulation results of 3D finite-difference time-domain method also show that, The peak value of the signal generated by the third harmonic wave will increase with the decrease of the opening width of the double pore nanostructure.
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP212;TN256

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 ;科学技术部发布《国家纳米科技发展指南框架》[J];自然科学进展;2002年02期

2 陈治光;;透视“纳米”[J];科技潮;2003年06期

3 白春礼;纳米科技发展动向和中国的最新进展[J];中国科技奖励;2004年05期

4 李辉,郝冉,冯茂强;纳米科技的研究领域及前景展望[J];山西科技;2005年02期

5 丘月;;纳米食品,你敢吃吗[J];大科技(科学之谜);2014年01期

6 任红轩;;纳米:妙在毫巅[J];科学世界;2014年06期

7 周雪;神奇的纳米世界[J];大自然探索;2000年11期

8 李克健;关于“十五”期间纳米科技的若干思考[J];科学中国人;2001年04期

9 田林;浅谈纳米[J];科技广场;2002年01期

10 方晨;;纳米尺度下的巨大空间[J];科学世界;2014年06期

相关会议论文 前10条

1 陈天虎;谢巧勤;;纳米矿物学[A];中国矿物岩石地球化学学会第13届学术年会论文集[C];2011年

2 马燕合;李克健;吴述尧;;加快建设我国纳米科技创新体系[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2001年

3 李正孝;煍岩;;漫娗纳米技圫和纳米材料的a捎煤蛌|展[A];第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2002年

4 伊阳;陶鑫;;纳米CaCO_3在塑料改性中的应用研究[A];PPTS2005塑料加工技术高峰论坛论文集[C];2005年

5 洪广言;;稀土产业与纳米科技[A];第九届中国稀土企业家联谊会会议论文集[C];2002年

6 惠飞;王栋民;;纳米水泥混凝土的研究进展[A];2008年中国水泥技术年会暨第十届全国水泥技术交流大会论文集[C];2008年

7 秦伯雄;陈峰;马卓然;;高压流体纳米磨及其应用[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年

8 王树林;李生娟;童正明;李来强;;振动纳米学进展[A];第七届全国颗粒制备与处理学术暨应用研讨会论文集[C];2004年

9 洪广言;贾积晓;于德才;孙锁良;李天民;王振华;;纳米级氧化镱的制备与表征[A];中国稀土学会第四届学术年会论文集[C];2000年

10 洪茂椿;;纳米催化在化石资源高效转化中的应用研究[A];中国化学会2008年中西部地区无机化学、化工学术交流会会议论文集[C];2008年

相关重要报纸文章 前10条

1 张立德(中国科学院固体物理研究所);纳米专家话纳米[N];中国高新技术产业导报;2002年

2 本报记者 赵晓展;纳米科技,,产业化序幕刚刚拉开[N];工人日报;2002年

3 宗合 晓丽;纳米科技成果产业化将带来巨大经济效益[N];消费日报;2004年

4 朱文龙;产学研联手助推纳米产业[N];文汇报;2006年

5 ;神奇的纳米科技[N];中国有色金属报;2006年

6 本报记者 李贽;纳米还没走出实验室[N];大众科技报;2001年

7 冯 薇;纳米护肤品没那么神[N];大众科技报;2005年

8 本报记者 彤云;打造纳米产业链条[N];中国高新技术产业导报;2001年

9 张芳;纳米护肤品其实没那么神[N];科技日报;2005年

10 赵展慧 张之豪;纳米世界有多神奇?[N];人民日报;2013年

相关博士学位论文 前10条

1 樊莉鑫;纳米电极体系界面结构及过程的理论与数值模拟研究[D];武汉大学;2014年

2 冯晓勇;高速重击条件下高锰钢表面纳米晶的制备及组织性能研究[D];燕山大学;2015年

3 黄权;B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究[D];燕山大学;2015年

4 王东新;纳米钻石靶向载药体系的制备及其与细胞相互作用的研究[D];山西大学;2014年

5 张俊丽;低维磁性纳米结构的可控合成、微观表征及应用研究[D];兰州大学;2015年

6 于佳鑫;两种新型光学材料在显微生物成像与光谱检测中的应用探索[D];浙江大学;2015年

7 李志明;块体纳米晶钛的制备及组织演变与力学行为[D];上海交通大学;2014年

8 杨树瑚;缺陷对几种过渡族金属氧化物磁性的影响[D];南京大学;2012年

9 刘春静;锂离子电池锡基纳米负极材料制备及储锂性能[D];大连理工大学;2015年

10 谢伟丽;SiC纳米线三维结构的制备与生物相容性[D];哈尔滨工业大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 林诠彬;中药纳米化对中医药的影响[D];广州中医药大学;2010年

2 毛彩霞;纳米二氧化锰的安全性评价[D];华中师范大学;2008年

3 邓世琪;PbTi0_3及LiTi0_2纳米结构的水热合成及其光致发光和光催化性能研究[D];浙江大学;2015年

4 葛岩;YAG:Ce~(3+)纳米晶的制备及其发光性能的研究[D];上海师范大学;2015年

5 潘伟源;水热法合成的过渡金属化合物掺杂对Li-Mg-B-H储氢体系的改性研究[D];浙江大学;2015年

6 豆贝贝;纳米水泥熟料矿物的合成与性能研究[D];河北联合大学;2014年

7 郭步超;高氮奥氏体不锈钢机械纳米化表面层及其热稳定性研究[D];长春工业大学;2015年

8 王艳艳;纳米化/渗氮/渗硫层与润滑油添加剂的摩擦化学效应研究[D];中国地质大学(北京);2015年

9 周文敏;Cr_2WO_6、Ag_2CrO_4微/纳米晶的制备及性能研究[D];陕西科技大学;2015年

10 龚成章;纳米铝结构性质及Al/RNO_2界面作用的理论研究[D];南京理工大学;2015年



本文编号:1592961

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/1592961.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户a8c5e***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com