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文献类型

3 篇 学位论文

馆藏范围

3 篇 电子文献
0 种 纸本馆藏

日期分布

学科分类号

3 篇 工学
- 3 篇 光学工程
- 1 篇 机械工程
- 1 篇 仪器科学与技术
- 1 篇 电子科学与技术（可...
2 篇 理学
- 2 篇 物理学

主题

3 篇 准导模模式
1 篇 法布里-珀罗型连续...
1 篇 anapole模式
1 篇 准连续域束缚态
1 篇 微纳结构
1 篇 中红外传感
1 篇 环形偶极子
1 篇 全介质超表面
1 篇 太赫兹波
1 篇 光力
1 篇 光力矩
1 篇 热辐射源

机构

3 篇 山东师范大学

作者

1 篇 郑励超
1 篇 孙敏
1 篇 李雪

语言

3 篇 中文

检索条件"主题词=准导模模式"

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详细简洁

排序：

基于微纳结构的新型中红外热辐射源的研究

基于微纳结构的新型中红外热辐射源的研究

引用

作者：李雪山东师范大学

学位级别：硕士

中红外（Mid-infrared,MIR）波段因其对分子振动共振的敏感性而被广泛视为分子指纹区,这使得MIR技术在环境气体传感、生物医学诊断、高光谱成像和工业过程控制等领域具有不可或缺的应用价值。尽管量子级联激光器（Quantum cascade laser... 详细信息

中红外（Mid-infrared,MIR）波段因其对分子振动共振的敏感性而被广泛视为分子指纹区,这使得MIR技术在环境气体传感、生物医学诊断、高光谱成像和工业过程控制等领域具有不可或缺的应用价值。尽管量子级联激光器（Quantum cascade laser,QCL）由于其高光谱纯度和大输出功率的优势而代表了MIR源领域最先进的技术,但是其复杂的结构和高成本的制造导致应用无法普及。因此,在实际的应用中,具有经济效益的热辐射源成为了产生MIR辐射的最佳选择之一,并且在气体传感、红外成像和热光伏等应用方面发挥着至关重要的作用。热辐射是由物体中的各种热波动引起的,通常是宽带、全向、非相干和无偏振的。近年来,随着光子学和微纳加工技术的飞速发展,基于各种新物理机制或工作原理的超表面和光子晶体等各种人工微纳结构为热辐射的调控提供了前所未有的可能性。具有高光谱分辨的窄带热辐射源在光学通信、光学传感等领域具有重要的作用。所以科学家们一直致力于制造成本低、结构简单、带宽窄且效率高的MIR热辐射器件的研究。近年来,准连续域束缚态（Quasi-Bound states in the continuum,QBIC）的概念成为了光子学中实现高品质因子（Quality factor,Q因子）共振的一种热门方法,这种方法极大地增强了光与物质之间的相互作用。因此,本论文考虑利用BIC提供的高Q因子特性来实现超窄带宽且高效的MIR热辐射源,从而为实现具有成本效益的优异光源提供重要的指导。本论文的第一项工作:我们设计了一种基于法布里珀罗（Fabry–Pérot）型BIC（FP BIC）的窄带MIR热辐射源并进行了实验验证。当支持米氏共振（Mie resonance）的高折射率介电圆盘与高反射衬底之间被适当厚度的低折射率间隔层分离时,圆盘阵列支持的共振与其镜面反射之间的相消干涉导致FP BIC的产生。通过调控结构的几何尺寸以及缓冲层的厚度,QBIC共振可以被设计到MIR区域并且能够实现超高的Q因子。我们首先利用全波计算工具COMSOL Multiphysics软件设计了结构参数,并仿真了结构的吸收特性来表征其发射特性。然后,使用标准的纳米制造技术加工了热辐射源器件。最后将整个器件置于发射测量装置中,利用傅里叶变换红外光谱仪对其不同温度下的发射特性进行表征和分析。结果表明,即使充分考虑材料吸收损耗和加工带来的侧壁损耗,器件也能够在4.5852μm的波长下实现较高发射率且窄带的输出光谱,这与理论仿真几乎一致,验证了我们的方法能够实现优异的光源,从而具有潜在的实际应用前景。本论文的第二项工作:我们提出了一种基于准导模（Quasi-guided modes,QGM）的双波长窄带MIR热辐射源,可以用来实现无滤波器传感。这项工作的基本思想是将双色光作为正交偏振波从同一表面向外辐射,通过精心设计几何参数,在4～7μm宽带范围内,x偏振下仅辐射出4.26μm处近100%发射率的窄带输出,而在y偏振下仅辐射出4.09μm处近90%发射率的窄带输出。也就是说,该热辐射源在宽带范围内两个偏振的输出分别表现出很好的单色性。此外,计算表明,即使考虑到底层金属的损耗,在实现近完美发射的情况下,输出线宽仍然小于3nm。这代表了当前最先进的水平。在这项工作中,器件的发射波长与二氧化碳（CO）气体分子的吸收波长相匹配,因此可以用来检测环境中的CO分子的浓度,同时也可以通过调节结构参数来匹配MIR范围内其他物质的特征吸收。这一研究成果有望成为非色散红外（Non-dispersive infrared,NDIR）系统中的高效光源,从而消除各种复杂的窄带滤波器,为未来传感器技术的发展做出重要贡献。

关键词：微纳结构热辐射源法布里-珀罗型连续域束缚态准导模模式

来源：评论

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基于微纳结构光力和光力矩的研究

基于微纳结构光力和光力矩的研究

引用

作者：郑励超山东师范大学

学位级别：硕士

近年来,光学镊子已经成为探测和操纵微小物体的强大手段。在生物学上,光镊已被广泛应用在捕获细菌或者对单个细胞的操纵。但是随着时代的发展,人们对于单一颗粒的操纵已无法满足生物医疗的要求,例如,捕获更加微小的微粒、病毒的筛选、... 详细信息

近年来,光学镊子已经成为探测和操纵微小物体的强大手段。在生物学上,光镊已被广泛应用在捕获细菌或者对单个细胞的操纵。但是随着时代的发展,人们对于单一颗粒的操纵已无法满足生物医疗的要求,例如,捕获更加微小的微粒、病毒的筛选、蛋白质和DNA片段的分选等等。另一方面,生物学的研究通常需要大量的实验数据来进行验证,因此传统光镊是存在着局限性的。目前传统光镊存在两个较大问题:1.在使用单聚焦激光束捕获亚波长颗粒会受到衍射极限的限制,由于较小的粒子需要更高和更紧密的光场来稳定捕获,所以这种紧密的焦点可能在捕获位置产生很大的功率密度的焦耳热问题,从而损坏需要捕获的粒子。2.单光束光镊仅仅只能够捕获或操纵一个颗粒,急需一个平台实现多粒子的捕获和分选。伴随着微纳结构的兴起,很多研究者开始探索该领域对于光镊的应用。科研人员发现,微纳结构不仅仅能够支持多颗粒的捕获还能够实现分选颗粒的有趣现象。科研人员最早关注的是表面等离激元,发现它可有效克服光的衍射极限,通过等离子体共振增强电场,在亚波长频率能够产生足够的光力,实现在相对较低的光功率下对纳米颗粒的捕获。然而,随着深入研究发现等离子体的缺点在光学频率下容易发生的强烈吸收损耗,等离子体纳米镊子会表现出焦耳热问题,可能导致热泳动和对流的问题,进而会降低捕获的稳定性。如果温度升高,甚至会导致水沸腾（在进行捕获的地方）,严重的情况下将会损坏样品。最近,随着高折射率的半导体的兴起被证明是一种有效的、低损耗的金属等离子体结构的替代品,研究者们认为由高折射率半导体制备的全介质微纳结构将会有效降低焦耳热问题。但是经过研究发现这些半导体无法形成有效的场增强,但是一些有趣的光学共振能够很好的解决这个问题。通过研究者们的不断探索,先后验证了基于Fano和Anaople模式的全介质微纳结构可以很好的实现高Q值和局域电场增强。本论文提出了一种更加显著的高Q值和场增强光学共振,根据基于连续域束缚态理论、环形偶极子、准导模等概念,创新性地设计了可在低功率激发下实现光学捕获的全介质微纳结构,并对它们产生的光力和光力矩进行了系统研究,还对相关全介质超表面的实验可行性和高效性进行了数值仿真和微纳加工实验验证。论文主要研究有以下工作: 1.基于二维材料砷化镓铝（AlGaSe）设计了一种开槽圆盘的超表面。能够以1m W/μm的功率下激发,实现高Q谐振的全介质超表面。通过打破开孔槽的对称性,实现理想BIC向QBIC的转化,使具有无限品质因子的无辐射模式转变成有限品质因子的泄漏模式。为了支持波长为1550 nm的QBIC,而且我们基于实验的可行性,通过调整不对称D,获取了一个10^的品质因子,但是因为尺寸因素,在实验制备上存在很大挑战性。我们通过数值模拟无损耗的高折射率超表面在激发的准连续域束缚态实现了电场局域在开口槽内部,这将实现槽内捕获粒子的优点,在圆盘附近的颗粒上产生巨大的光力和光力矩,通过解析式和数据分析球形颗粒和棒状颗粒的不同运动状态,这将会实现同质不同形颗粒的高效筛选。 2.提出了一种由双圆孔蓝宝石硅（SOS）构成的畸变光子晶体板,基于准导模念进行数值模拟。这一章节介绍准导模的色散曲线是导模色散曲线的折叠形式,在兼具QBIC高Q值的同时,其在波矢方向具有很好的稳定性,Q值基本不随角度变化。这种稳定性让我们十分有利于我们多颗粒的捕获和分选,基于实验的的可行性,我们通过改变孔径大小,在计算材料损耗的同时获得3228的品质因子,通过Comsol软件进行数值模拟光力和光力矩。然后我们通过镀膜、EBL、刻蚀等一系列微纳加工方法去摸索制备样品,为接下来验证准导模对于颗粒的捕获和筛选做准备。

关键词：准连续域束缚态全介质超表面光力光力矩准导模模式

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新型微纳光学结构在中远红外增强传感中的应用研究

新型微纳光学结构在中远红外增强传感中的应用研究

引用

作者：孙敏山东师范大学

学位级别：硕士

近年来,光学传感因其具有高精度、低延时和可成像等优势,在医疗诊断、健康监测、安全检测、生物医学等领域有着广泛的应用需求。随着大数据和物联网等信息技术的迅速发展,对传感器小型化和便携性的需求日益迫切,特别是汽车与电子产品。... 详细信息

近年来,光学传感因其具有高精度、低延时和可成像等优势,在医疗诊断、健康监测、安全检测、生物医学等领域有着广泛的应用需求。随着大数据和物联网等信息技术的迅速发展,对传感器小型化和便携性的需求日益迫切,特别是汽车与电子产品。而基于微纳结构的传感器具有可调控性强、尺寸小、重复度高等优势受到了广泛关注。中远红外光谱可以对分子种类进行识别,但是要保证对分子识别的前提下增强传感灵敏度,这就需要采用人工谐振结构且谐振与物质吸收本征频率相匹配。目前存在两个问题:1.如何提高Q值,进而增强谐振频率下的局域电场增强与特征吸收;2.如何设计人工结构,使得谐振与待检测物质吸收本征频率匹配。本论文针对这两个问题,基于连续域束缚态、环形偶极子、准导模等概念,创新性地构建了基于微纳结构的系列光学传感器,对它们的传感增强机理进行了系统研究,并对传感器的可行性和高效性进行了数值仿真和微纳加工实验验证。论文的主要内容如下:1、大多数人工结构受辐射损耗和材料损耗的影响,其谐振处Q因子仅为几十甚至更低,限制了其不能具备超窄带宽,进而难以应用于中远红外传感。在中远红外波段上实现超高Q因子这一目标的一个有效方法是探索连续域束缚态概念。连续域束缚态理论上具有无限大Q因子,但是通常连续域束缚态无法被入射平面波直接激发。通过打破结构对称性,可以实现与入射平面波的耦合,形成准连续域束缚态谐振,同时Q因子可以保持在较高数量级,这对传感器的研制具有重要意义。在本论文我们从理论上设计并研究了一种在太赫兹波段基于连续域束缚态概念的不对称矩形空气槽结构。通过有限元算法模拟,实现了2ppm的低浓度氰化氢气体的指纹检测。最重要的是,该氰化氢气体指纹检测传感器的结构尺寸小于100μm,有利于光电器件集成以及多通道气体检测。另外,我们通过理论模拟和实验验证证实了在中红外波段基于连续域束缚态概念传感应用的可行性与高灵敏性。2、使用在目标分子的特征吸收频率上产生共振的光子结构去检测目标分子,可以在许多光谱区域增强吸收并提高传感灵敏度。但是准确的光谱匹配对结构的制造构成了巨大的挑战,而使用外部手段（如电激励）对给定结构的共振进行主动调控会使系统变得非常复杂。在本项工作中,我们通过利用准导模的物理思想来规避这个问题,这种模式具有超高的Q因子和较大带宽上的波矢依赖性。这些模式被支持在一个畸变的光子晶格中,由于能带折叠效应,周期会增加一倍。通过在硅板波导上使用复合光栅结构来实现对纳米级α-乳糖薄膜的检测。我们的结果表明,谐振处的透射率对α-乳糖厚度高度依赖,并且该结构可以检测厚度小至0.5nm的情况。3、环形偶极子谐振是一种特殊的电磁激发现象,它独立于两大基本多极子家族。环形偶极子与自由空间的弱耦合为设计高Q因子的光学共振提供了有效的设计方法。另外,环形偶极子的远场辐射能量分布与传统电偶极子相同,但相位相反。同时激发环形偶极子与电偶极子,将能通过相消干涉实现无远场辐射的Anapole谐振。本论文研究了基于环形偶极子和Anapole两种谐振在中红外波段的光学特性,相关工作如下:（1）设计了由“E”型超表面所支持环形偶极子谐振的中红外传感。数值和实验结果都表明,环形偶极子光谱位置高度依赖于聚甲基丙烯酸甲酯的厚度,实验上可以稳定地实现低于10nm的最小可测量厚度并且该结构灵敏度可达到420nm/RIU。（2）基于环形偶极子响应进一步设计了基于Anapole模式的“幸运结”型超表面中红外传感,该模式可以最大可能减少纳米结构带来的能量损耗,以实现更大的场增强和更高的灵敏度。理论上我们发现,该结构入射波的偏振随着变化为0°、45°和-45°时,透射光谱表现出偏振无关特性。另外,该超表面灵敏度可达到685nm/RIU,与之前支持环形偶极子响应的“E”型超表面相比灵敏度有所提高。4、中红外光谱范围（波长2～20μm）被称为“分子指纹”区域,在该区域,各种气体分子表现出高度旋转或振动的特征,值得注意的是,在中红外区域,分子跃迁的吸收截面通常比可见光或近红外区域的吸收强度大10～1000倍。因此,中红外光谱气体传感器可用于以高灵敏度、高选择性识别和量化物质的存在。针对常用的非色散红外传感能量利用率极低的问题,本论文设计了基于窄带热辐射源的气体传感检测装置,实现了超灵敏中红外气体检测系统的搭建,实验上可探测的CO2浓度为40ppm,并且谐振处Q因子为81。该工作为中红外光谱气体传感器提供了一条新途径。

关键词：中红外传感太赫兹波环形偶极子 Anapole模式准导模模式

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