納米尺度光波導(dǎo)及微結(jié)構(gòu)若干性質(zhì)研究.pdf

1、1959年在美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上,著名的物理學(xué)家,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在加州理工學(xué)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(jī)器制造比其體積小的機(jī)器,而這較小的機(jī)器可以制作更小的機(jī)器,這樣一步步達(dá)到分子線度,即逐漸地縮小生產(chǎn)裝置,以至最后直接按意愿排列原子,制造產(chǎn)品。他預(yù)言,化學(xué)將變成根據(jù)人們的意愿逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的問題。近年來,隨著納米技術(shù)在光電功

2、能材料、光化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)等方面的迅速發(fā)展,納米光學(xué)的研究方向大大拓展,正隨著時(shí)間的推移而不斷拓寬和深入。目前,納米光學(xué)中的基本器件之一,二氧化硅納米光纖,其直徑已經(jīng)可以小到幾十納米,表面粗糙程度接近0.2nm量級(jí),達(dá)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(jīng)低于0.01dB/cm,遠(yuǎn)低于同樣線寬的其它類型光波導(dǎo)。利用納米光纖的小尺寸和強(qiáng)倏逝場(chǎng)等特性,通過測(cè)量光纖輸出的強(qiáng)度、相位或者光譜等物理量來

3、實(shí)現(xiàn)的納米光纖傳感器,已經(jīng)在液體折射率變化、氫氣濃度、表面分子吸附等分析測(cè)量中顯示出小尺寸、高靈敏度或者快速響應(yīng)速度等優(yōu)良特性。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)納米光波導(dǎo)的基本性質(zhì)和基于納米光波導(dǎo)的器件及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和討論,為納米光波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究提供了一定的理論依據(jù)和數(shù)值參考。本研究分為五個(gè)部分：
　　 第一章首先簡(jiǎn)單介紹納米光學(xué)的基本背景、發(fā)展,納米光學(xué)的基本理論,然后討論納米光波導(dǎo)的基本模型及其加工技術(shù)。最后概要介紹本論文

4、的主要研究?jī)?nèi)容。
　　 第二章我們使用FDTD方法研究了介質(zhì)納米波導(dǎo)陣列中光束的聚焦問題。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,光束在通過由長(zhǎng)度在1.0～2.0μm的納米波導(dǎo)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(duì)于同一波導(dǎo)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(dǎo)陣列的焦距可以通過調(diào)整納米波導(dǎo)陣列中波導(dǎo)的寬度,波導(dǎo)間的間距,波導(dǎo)的長(zhǎng)度,波導(dǎo)的條數(shù),以及入射光的半高寬來改變。值得一提的是,

5、改變波導(dǎo)陣列中的波導(dǎo)的寬度和波導(dǎo)間的間距實(shí)際上就是改變整個(gè)波導(dǎo)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(guān)。我們將這種納米波導(dǎo)陣列中的聚焦行為歸結(jié)于陣列中的衰減長(zhǎng)度較長(zhǎng)的輻射模和較強(qiáng)的倏逝場(chǎng)的作用。結(jié)果還表明,波導(dǎo)間距呈線性變化的波導(dǎo)陣列可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)量級(jí)的焦距。
　　 第三章我們利用納米光纖的基本方程推導(dǎo)出兩光束在納米光纖中發(fā)生干涉后的場(chǎng)方程。結(jié)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(zhì)。結(jié)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(qiáng)度的條件下,微小粒子可以被束縛在光纖的中點(diǎn)位置。調(diào)整兩光束的光強(qiáng)可以使得粒子沿著z軸發(fā)生移動(dòng)。在橫向方向上,梯度力是俘獲的決定因素。在()方向,有兩個(gè)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(nèi)。同時(shí)改變兩入射光的偏振面就可以對(duì)()方向的俘獲位置進(jìn)行調(diào)制；在r方

7、向上,梯度力可以在一定范圍內(nèi)對(duì)微小粒子實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定的俘獲,其對(duì)微小粒子的作用更適合用于粒子的運(yùn)輸。這也是我們把這稱為準(zhǔn)三維俘獲的因?yàn)椤Ｍ瑫r(shí),我們也討論了復(fù)色光入射的情況下微小粒子俘獲的情況,其結(jié)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(zhì)。結(jié)果顯示納米光纖中的能量衰減依舊可以使用指數(shù)函數(shù)來描述。通過理論推導(dǎo)計(jì)算和時(shí)域有限差分方法,我們得到了納米光纖的吸收系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式并對(duì)其進(jìn)行了