光子晶体微腔特性研究及其在痕量气体浓度测量中的应用

论文摘要

近些年来纳米材料和高精度加工与制备技术的不断提高为光学技术的深入开展提供了技术基础和条件，使光学集成技术逐渐成为人们关注的热点，并且在光学集成领域占有重要地位，光学微腔技术的研究在这一背景下得到了空前重视，出现了一些创造性的成果。为了深入研究光学微腔的特性，本文针对光子晶体微腔进行了结构上的设计；并计算了金属反射薄膜对其辐射特性的影响；讨论了光子晶体KTP缺陷微腔在痕量气体浓度测量系统中的应用；构建了光子晶体微腔气室的光纤环路测量实验系统。首先，在光子晶体平板微腔结构的基础上，引入金属反射薄膜，利用金属在近红外区的高反射性，分别分析了金和银两种金属对三角晶格光子晶体微腔辐射特性的影响。通过反射薄膜与光子晶体平板之间形成空气间隙高度的变化，研究了该变化对光子晶体微腔谐振波长、品质因子和辐射线宽等特性的影响；利用时域有限差分法对所设计的结构进行了计算，得到了空气间隙的变化过程中光子晶体平板微腔内的场强分布特性，实现了Q值最大时腔内场的均匀分布，为可调谐光子晶体激光器的制备提供了理论基础。其次，在三角晶格硅基底光子晶体平板结构中心位置引入KTP晶体，构成光子晶体点缺陷微腔结构。利用平面波展开法计算了KTP晶体的半径变化对光子晶体禁带范围的影响；通过设置不同的KTP晶体半径，得到禁带范围不同的光子晶体微腔结构特性。在实验设计中，进一步设计光纤环路衰荡痕量气体浓度测量系统，制备相应禁带范围的光子晶体微腔结构，将KTP缺陷光子晶体微腔固定于气室中，根据待测气体在近红外区域的吸收峰波长，保证吸收峰信号光频率通过光子晶体微腔，实现测量系统中噪声信号的滤除。最后，构建了基于光子晶体微腔气室的痕量气体浓度测量实验测量系统，对系统中的关键器件：掺铒光纤放大器和可调光衰减器等进行了性能测试实验。得出基于Labview的数据采集系统用以接收不同浓度时的气体衰荡时间，绘制了气体衰荡拟合曲线。根据光纤环路衰荡原理得到了NH3的典型浓度衰荡曲线，验证了光子晶体微腔在痕量气体浓度测量中应用的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第1章 绪论
• 1.1 光学微腔概述
• 1.1.1 光学微腔问题的提出
• 1.1.2 光学微腔的概念
• 1.1.3 光学微腔的基本结构
• 1.2 光子晶体制作方法
• 1.2.1 ICP 干刻技术
• 1.2.2 电化学刻蚀技术
• 1.2.3 其它制作方法
• 1.3 光子晶体微腔的应用
• 1.3.1 滤波器
• 1.3.2 波分复用和解波分复用
• 1.3.3 传感与检测
• 1.3.4 光子晶体激光器
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 光子晶体微腔的基本理论与研究方法
• 2.1 引言
• 2.2 电磁波在介质中的传播
• 2.2.1 反射定律和折射定律
• 2.2.2 菲涅耳公式
• 2.2.3 全反射
• 2.2.4 倏逝波
• 2.3 光子晶体的带隙特性
• 2.3.1 周期性介质中电磁波的传播
• 2.3.2 光子晶体与光子带隙
• 2.3.3 光子晶体的本征方程
• 2.4 光子晶体微腔的研究方法
• 2.4.1 时域有限差分法
• 2.4.2 平面波展开法
• 2.5 光子晶体微腔主要参数
• 2.5.1 本征频率
• 2.5.2 品质因子
• 2.5.3 有效模式体积
• 2.5.4 普赛尔（Purcell）因子
• 2.6 本章小结
• 第3章 空气间隙对光子晶体微腔特性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 光子晶体谐振腔的结构设计
• 3.3 理论分析
• 3.3.1 金属反射系数
• 3.3.2 FDTD 计算流程
• 3.3.3 对称性边界条件
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 腔谐振波长特性
• 3.4.2 品质因子特性
• 3.4.3 腔内场强分布
• 3.4.4 辐射特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 光子晶体微腔在痕量气体浓度测量中的应用研究
• 4.1 痕量气体浓度测量原理
• 4.1.1 吸收光谱技术原理
• 4.1.2 光纤环路衰荡光谱技术
• 4.1.3 FLRDS 技术的优点
• 4.1.4 影响 FLRDS 技术测量精度的主要因素
• 4.2 痕量气体浓度测量系统设计
• 4.2.1 光隔离器
• 4.2.2 掺铒光纤放大器
• 4.2.3 可调光衰减器
• 4.3 光子晶体微腔设计
• 4.3.1 KTP 晶体
• 4.3.2 KTP 晶体折射率特性
• 4.3.3 KTP 晶体对光子晶体能带的影响
• 4.3.4 光子晶体微腔结构设计与能带分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 痕量气体浓度测量实验研究与结果分析
• 5.1 实验系统
• 5.2 增益可调掺铒光纤放大器实验
• 5.3 可调光衰减器（VOA）实验
• 5.4 气室结构
• 5.5 气体对光的吸收特性分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介