光子晶體形變傳感器原理

1、光子晶體形變傳感器原理摘要：當(dāng)光子晶體材料承受外載荷時，必然會引起形變，并改變其組成材料的空間排列方式，從而導(dǎo)致其光帶隙性能的改變。而外載荷與光帶隙性能之間的對應(yīng)關(guān)系，計算表明，壓力的大小與禁帶起始波長、截止波長和禁帶寬之間呈簡單的線性對應(yīng)關(guān)系，通過測量光帶隙性能而制造出感知外載荷的傳感器。外載荷也可以是溫度載荷，對含耦合缺陷的不對稱結(jié)構(gòu)光子晶體的研究發(fā)現(xiàn)，其缺陷模頻率附近的反射率接近于1,而缺陷模頻率附近反射光的相移隨頻率迅速改變；當(dāng)缺陷層為折射率的溫度敏感材料時，溫度的極微小變化就能使處于缺陷模頻率的反射光相移發(fā)生很顯著變化。根據(jù)這一原理，設(shè)計了高靈敏高分辨率的相位溫度傳感器。關(guān)鍵詞:光子

2、晶體壓光光的相移20世紀(jì)80年代John和Yablonovitch提出了光子晶體新材料，它是一種具有周期結(jié)構(gòu)的人造材料，對于三維光子晶體，在一定的頻率范圍內(nèi)，不管傳播方向如何，這種材料都禁止在該頻率范圍內(nèi)電磁波的傳播，這個頻帶范圍稱為光子晶體的光帶隙，人們預(yù)測，由于具有獨特的光帶隙性能,光子晶體將在不久的將來為光通信以及其他相關(guān)領(lǐng)域帶來根本性的變化光子晶體是介電常數(shù)具有周期特性的人造結(jié)構(gòu)材料,正是這樣的結(jié)構(gòu)使其具有了調(diào)制材料中光子傳播狀態(tài)的能力。1一維光子晶體PBG的性能利用傳輸矩陣法，預(yù)測多層介質(zhì)的光帶隙性能，將一層介質(zhì)等效成一個界面，應(yīng)用電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H的切向分量在界面兩側(cè)連續(xù)的邊界

3、條件，得到入射介質(zhì)中的光場0,H0與出射介質(zhì)中的光場E2,H2之間的關(guān)系2光子晶體的受力與PBG性能的關(guān)系以上通過研究機(jī)械載荷對光子晶體的光帶隙性能的影響，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在簡單的線性關(guān)系，并因此提出了利用這種對應(yīng)關(guān)系研制壓光傳感器的可能性。由于光子晶體的結(jié)構(gòu)周期和光波波長為一個數(shù)量級，也就有可能制造出一系列精巧的壓光傳感器或者其他精密儀器。這種傳感器的一個優(yōu)點是可以在不直接接觸到受壓區(qū)域的情況下測量壓力的大小。那么溫度載荷對光子晶體的形變影響是什么呢？我們來看一下光的相位特性，許多光物理現(xiàn)象與相位特性有關(guān)。在光子晶體中,幾乎所有光物理現(xiàn)象都與相位特性相關(guān)聯(lián)，基于光子晶體相位特性的溫度傳感器，它

4、具有很高的靈敏度。2.1含耦合缺陷的不對稱結(jié)構(gòu)光子晶體的物理特性光子晶體缺陷模的相位特性過去很少被應(yīng)用，其主要原因如下：在缺陷模光是高透射的，離開缺陷模光是高反射的，這種透射光或反射光的光強(qiáng)劇烈變化會使相位測量中光強(qiáng)無法恒定。另外，相位還受襯底等影響。通過研究我們發(fā)現(xiàn)，以上問題都能通過光子晶體不對稱結(jié)構(gòu)或異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)獲得解決。我們計算和研究了含缺陷的一維光子晶體不對稱結(jié)構(gòu)的帶隙和相位特性。不對稱結(jié)構(gòu)使缺陷模的高透射消失，即整個帶隙（包括缺陷模頻率）的反射率接近于1,但在缺陷模頻率附近反射光的相移隨頻率迅速改變。對應(yīng)耦合缺陷模的每一個子峰，相移等于2n對含5個耦合缺陷層的缺陷模，相移等于10n并且

5、不對稱結(jié)構(gòu)使襯底的影響被克服。相位曲線中有近似線性一段，這種近似線性關(guān)系在光子器件的應(yīng)用中很有價值。下面我們基于光子晶體相位的上述特性,以溫度傳感器為例討論光子晶體相位特性在傳感器中的應(yīng)用。2.2高靈敏高分辨率光子晶體相位溫度傳感器如果光子晶體缺陷層的介質(zhì)是溫度敏感材料，溫度變化時，缺陷模的頻率和相位都將隨著溫度而變化。根據(jù)熱光效應(yīng)，溫度直接性能很好滿足相位溫度傳感器的要求。如果在某項特殊應(yīng)用中既要有很高的靈敏度又要有較寬的測量范圍，也可考慮用如下方法解決：可以設(shè)計一種特殊光子晶體，其雜質(zhì)層是熱敏材料，而周期層是電場誘變折射率材料，這樣就能用電場分檔改變測量范圍而實現(xiàn)寬范圍測量。另外,對高溫的

6、測量則要另選材料。利用光子晶體不對稱結(jié)構(gòu)解決了耦合缺陷模的不對稱結(jié)構(gòu)，把光子晶體的相位特性原理制作出了高靈敏高分辨率溫度傳感器。3結(jié)語本文具體分析了機(jī)械載荷與溫度載荷光子晶體傳感器原理，可能制造出一系列精巧的壓力、溫度傳感器或者其他精密儀器。這種傳感器的一個優(yōu)點是可以在不直接接觸到受壓區(qū)域的情況下測量壓力的大小，應(yīng)當(dāng)指出，本文的工作還是探索性的。參考文獻(xiàn)1 JohnS1984Phys.Rev丄ett.532169.2 JohnS1987Phys.Rev丄ett.582486.3 YablonovitchE1987Phys.Rev.Lett.582059.4 LiuXY2000ActaPhysJ

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