納米尺度光波導及微結構若干性質研究.pdf

1、1959年在美國物理學會年會上,著名的物理學家,諾貝爾獎獲得者理查德·費曼在加州理工學院做了題為:“There is plenty of room at the bottom”的演講,其中提到,人類能夠用宏觀的機器制造比其體積小的機器,而這較小的機器可以制作更小的機器,這樣一步步達到分子線度,即逐漸地縮小生產裝置,以至最后直接按意愿排列原子,制造產品。他預言,化學將變成根據人們的意愿逐個地準確放置原子的問題。近年來,隨著納米技術在光電功

2、能材料、光化學和生物醫(yī)學光子學等方面的迅速發(fā)展,納米光學的研究方向大大拓展,正隨著時間的推移而不斷拓寬和深入。目前,納米光學中的基本器件之一,二氧化硅納米光纖,其直徑已經可以小到幾十納米,表面粗糙程度接近0.2nm量級,達到熔融玻璃表面的本征粗糙度,360nm線寬的二氧化硅納米光纖的單模傳輸損耗已經低于0.01dB/cm,遠低于同樣線寬的其它類型光波導。利用納米光纖的小尺寸和強倏逝場等特性,通過測量光纖輸出的強度、相位或者光譜等物理量來

3、實現的納米光纖傳感器,已經在液體折射率變化、氫氣濃度、表面分子吸附等分析測量中顯示出小尺寸、高靈敏度或者快速響應速度等優(yōu)良特性。本文在前人研究的基礎上,對納米光波導的基本性質和基于納米光波導的器件及應用進行了系統(tǒng)的研究和討論,為納米光波導的實驗研究提供了一定的理論依據和數值參考。本研究分為五個部分：
　　 第一章首先簡單介紹納米光學的基本背景、發(fā)展,納米光學的基本理論,然后討論納米光波導的基本模型及其加工技術。最后概要介紹本論文

4、的主要研究內容。
　　 第二章我們使用FDTD方法研究了介質納米波導陣列中光束的聚焦問題。數值模擬的結果表明,光束在通過由長度在1.0～2.0μm的納米波導組成的陣列后可以有效被聚焦。無論是TM模式還是TE模式的光都可以被聚焦,其中對于同一波導陣列而言,TE模式光的焦距比TM模式光的焦距要短一些。納米波導陣列的焦距可以通過調整納米波導陣列中波導的寬度,波導間的間距,波導的長度,波導的條數,以及入射光的半高寬來改變。值得一提的是,

5、改變波導陣列中的波導的寬度和波導間的間距實際上就是改變整個波導陣列的總寬度。這再一次證明,透鏡的焦距在很大程度上與透鏡的口徑有關。我們將這種納米波導陣列中的聚焦行為歸結于陣列中的衰減長度較長的輻射模和較強的倏逝場的作用。結果還表明,波導間距呈線性變化的波導陣列可以實現波長量級的焦距。
　　 第三章我們利用納米光纖的基本方程推導出兩光束在納米光纖中發(fā)生干涉后的場方程。結合該方程和電偶極子模型,我們研究和討論了無吸收的納米光纖和含吸

6、收的納米光纖用于微小粒子俘獲的性質。結果表明,與無吸收的納米光纖相比,含吸收的納米光纖更適用于微小粒子的俘獲和操作。在光纖延伸的z方向,散射力是俘獲的決定因素。在兩光束同強度的條件下,微小粒子可以被束縛在光纖的中點位置。調整兩光束的光強可以使得粒子沿著z軸發(fā)生移動。在橫向方向上,梯度力是俘獲的決定因素。在()方向,有兩個位置是粒子被穩(wěn)定俘獲的位置,其都位于光束的偏振面內。同時改變兩入射光的偏振面就可以對()方向的俘獲位置進行調制；在r方

7、向上,梯度力可以在一定范圍內對微小粒子實現不穩(wěn)定的俘獲,其對微小粒子的作用更適合用于粒子的運輸。這也是我們把這稱為準三維俘獲的因為。同時,我們也討論了復色光入射的情況下微小粒子俘獲的情況,其結果與單色光的情況是基本相同的。
　　 第四章我們研究了含材料吸收的納米光纖中的能量衰減的基本性質。結果顯示納米光纖中的能量衰減依舊可以使用指數函數來描述。通過理論推導計算和時域有限差分方法,我們得到了納米光纖的吸收系數的經驗公式并對其進行了