一维光子晶体表面波及其传感应用研究

【摘要】光子晶体在表面处被截断,其平移对称性被打破,会在禁带内引入表面态,这种表面态对应的电磁波沿着光子晶体与外界媒质的界面传播,被称为布洛赫表面波(Blochsurfacewaves,BSWs)。表面态的存在可以改变电磁场的空间分布,使得表面处的局域电磁场增强,这种表面增强的电磁场可用来加强相关的光学效应,如表面荧光效应、表面拉曼散射效应等。一维光子晶体布洛赫表面波与被广泛研究的表面等离子共振非常相似,被激发时反射谱上会出现很窄的共振dip,这个共振dip出现的位置及强度会随着外界折射率的变化而变化。因此可以开发新型的布洛赫表面波传感器。本论文用平面波展开法系统研究了一维光子晶体表面态的色散关系、场分布等基本性质,讨论了一维光子晶体表面态的起源,表面态的存在规律,给出了一维光子晶体布洛赫表面波器件的理论设计方法。用传输矩阵方法研究了布洛赫表面波的传输特性。我们首次在理论及实验上研究了一维光子晶体布洛赫表面波的相位特性及传感应用。我们也首次提出了基于相位检测的新型布洛赫表面波传感技术,有望应用在免标记的生物化学传感领域。本论文共由六章组成。第一章,首先简单介绍了光子晶体的概念和一般性质,回顾了近几年光子晶体及相关领域的一些重要进展,并综述了一维光子晶体布洛赫表面波的研究历史和研究现状。第二章,介绍了本论文中所用的理论研究方法。简要介绍了光子晶体能带计算中常用的平面波展开法；详细推导了传输矩阵方法,高斯光束角谱分解法。简要介绍了我们编写的基于传输矩阵法的计算程序,该程序可以实现包括多层薄膜的反射率和透过率,反射相位,椭偏参数,场分布等参数的计算；并且结合高斯光束角谱分解方法,本程序还可以实现高斯光束在多层薄膜中传输的可视化,也能够计算高斯光束的反射率等参数。第三章,用平面波展开法系统地研究了一维光子晶体表面态的基本性质。研究表明TM和TE偏振都可以存在表面态；表面态的场强局域在表面,而且对于越大的平行波矢,局域性也越强。讨论了表面态的起源,我们确认了光子晶体表面态起源于有限光子晶体的带边态。由于表面截断效应,一维光子晶体最末层所处的环境与内层所处的环境不同,当条件合适时,带边态从通带中分离出来进入禁带,形成表面束缚模式。研究了最末层对一维光子晶体表面态的影响。为此我们引入了截断参数t。考虑厚度为dH的高折射率层及厚度为dL的低折射率层交替组成的一维光子晶体,光子晶体晶格常数为a,不同的ta值就表示了光子晶体表面的截断情况。当ta<1/2dH和ta>1/2dH+dL时,对应的最末层是高折射率层。当取1/2dH<ta<1/2dH+dL时,对应的最末层是低折射率层。研究表明表面态不是在任意结构的光子晶体表面都能够存在。对于第一个禁带来说,我们总结了如下规律：1.平行波矢很大时。当1/2dH<ta<1/2dH+dL(?)寸,光子晶体结构不存在表面态；当ta<1/2dH时,TM偏振和TE偏振都存在表面态,且随着最外层厚度的减小,表面态的频率也越高。ta>1/2dH+dL时,TM偏振不存在表面态,TE偏振也只在ta≈1a时才能存在表面态,且表面态频率位于第二个通带底部的带边。当ta趋近dH/2时,表面态的频率越靠近第一通带顶部的带边。2.平行波矢较小时。表面态存在的规律与上述平行波矢大的情况类似,只是不那么严格遵循上述规律。当ta<1/2dH时,且在ta≈0或1a时,TE偏振的表面态近似位于禁带中间,而TM偏振的表面态位于第二个通带的底部附近。ta>1/2dH+dL时,TM偏振仍然无表面态,而TE偏振在ta较大范围内都存在表面态。ta趋近1/2dH时,表面态频率越靠近第一通带顶部的带边。而当1/2dH<ta<1/2dH+dL时,TE偏振和TM偏振仍然无表面态存在。在ta大于dH/2+dL+dH/4时TE偏振可以存在表面态。第四章中,给出了一维光子晶体布洛赫表面波的器件理论设计方法,并在理论上研究了一维光子晶体布洛赫表面波的传输性质。当布洛赫表面波被激发时,相应地反射谱中会出现共振dip,由于光子晶体是由损耗很小的全介质组成的结构,布洛赫表面波的共振dip非常尖锐,理论上半高宽一般小于0.1。。我们的计算表明,光子晶体的周期以及组成光子晶体的各介质层的损耗对dip的半高宽和深度都有很大影响。为了得到性能良好的器件,需要根据各介质层的损耗及其周期数进行优化。我们也研究了一维光子晶体的反射相位特性,结果表明在发生布洛赫表面波共振时,相应的反射相位会发生迅速改变,而且共振位置附近反射相位曲线的陡度与构成布洛赫表面波器件的一维光子晶体周期数及损耗有很大关系。当他们发生改变时,共振dip的深度达到最大,且反射相位曲线的斜率接近无穷大,此时斜率的符号也会发生改变。特别地当介质损耗很小甚至无损耗时,反射率dip深度会变小甚至消失,而此时反射相位仍然急剧变化。在这种情况下,布洛赫表面波的反射相位比反射强度更为敏感,对于布洛赫表面波器件的传感应用来说,采用检测相位的方式更为合适。我们联合了传输矩阵和高斯光束角谱分解方法,分析了高斯光束发散角对布洛赫表面波反射率的影响,给出了这一影响的定量结果。我们的研究表明,高斯光束的发散角会展宽布洛赫表面波的共振dip,并使共振dip变浅。当组成布洛赫表面波器件的各介质层的消光系数很小时,被展宽的dip的宽度接近高斯光束的发散角。这种dip的展宽效应会劣化布洛赫表面波器件的响应和灵敏度。为了提高BSW检测限及灵敏度,实验中可以使用具有准直性更好的激光光束。利用本方法,我们也实现了一维光子晶体布洛赫表面波的可视化工作,这一方法可以模拟实际光束激发布洛赫表面波的情形,可以更直观地研究布洛赫表面波的传输特性,如传输距离、布洛赫表面波引起的巨古斯汉森效应等。理论模拟表明,对于我们设计的器件,布洛赫表面波的传播距离可达300μm。第五章中,我们用离子辅助电子束蒸发法在以半圆柱型棱镜上交替生长了Ti02和Si02周期性多层薄膜结构,成功制备了一维光子晶体布洛赫表面波器件。利用传输矩阵法理论计算了所制备器件的椭偏参数,并用全椭圆偏振光谱技术表征了该器件的特性。实验结果表明,我们制备的器件可以支持布洛赫表面波的传输,椭圆偏振光谱技术可以有效地表征布洛赫表面波器件进行。通过对椭偏参数ψ和△的测量,能够同时得到布洛赫表面波器件的反射光的幅值及相位信息,能够有效对布洛赫表面波器件的反射相位特性进行研究。实验结果也验证了理论上预期的布洛赫表面波激发引起的相位突变这一重要特性。我们用所制备的布洛赫表面波器件进行了传感应用的研究,提出了基于相位检测的新型布洛赫表面波传感器。我们分别采用角度扫描以及波长扫描两种方法,用不同浓度的溶液作为检测物质,在实验上证明了布洛赫表面波的反射相位对一维光子晶体外部折射率的微小变化非常敏感.我们制备的角度扫描型布洛赫表面波器件的角度灵敏度约为42.94°/RIU,其相位灵敏度高达6.57×103。/RIU,基于相位探测的布洛赫表面波器件的折射率检测限可达6.09×10-6RIU；我们制备的波长扫描型布洛赫表面波器件的灵敏度为631nm/RIU,我们也通过引入品质因子,评价了相位灵敏度,结果表明基于相位检测的布洛赫表面波传感器的灵敏度比传统的基于强度检测的布洛赫表面波传感器的灵敏度高近一个数量级。总之,在本论文中,我们系统地研究了一维光子晶体表面态的基本性质,总结了表面态存在的规律,为设计一维光子晶体布洛赫表面波器件提供了理论依据。总结了有限一维光子晶体周期数和介质损耗对布洛赫表面波的反射率和反射相位的影响。我们也利用椭圆偏振光谱技术成功表征了布洛赫表面波器件的传输特性,首次在实验上验证了布洛赫表面波引起的反射相位突变,我们的研究表明可以利用反射相及传感应用。并首次提出了基于相位检测的新型布洛赫表面波传感技术,有望应用在免标记的生物化学传感领域。
【作者】李延辉；
【导师】韩圣浩；
【作者基本信息】山东大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】光子晶体；布洛赫表面波；反射相位；光学传感；

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