基于光学tamm态耦合的光子晶体传感特性研究

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1、硕士学位论文MASTER’SDISSERTATION论文题目基于光学Tamm态耦合的光子晶体传感特性研究作者姓名董晶学科专业检测技术与自动化装置指导教师陈颖教授2016年5月中图分类号：O436学校代码：10216UDC：681.7密级：公开工学硕士学位论文基于光学Tamm态耦合的光子晶体传感特性研究硕士研究生：董晶导师：陈颖教授申请学位：工学硕士学科专业：检测技术与自动化装置所在单位：电气工程学院答辩日期：2016年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinMeasurementTechnologyandAutomaticInstrumentSTUDYONSENSINGC

2、HARACTERISTICSOFPHOTONICCRYSTALBASEDONTHECOUPLINGANALYSISOFOPTICALTAMMSTATEbyDongJingSupervisor:ProfessorChenYingYanshanUniversityMay,2016燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于光学Tamm态耦合的光子晶体传感特性研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

3、本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《基于光学Tamm态耦合的光子晶体传感特性研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：年月日

4、导师签名：日期：年月日摘要摘要光子晶体作为当今比较新颖的研究课题，利用其禁带和局域特性可以设计性能优良的光学元件，其中基于光子晶体结构设计制作的光学传感器具有体积小、信号响应速度快、检测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点，已成为光学传感领域研究的热点问题。本文从光子晶体基本特性出发，与表面等离子型传感器相结合，设计了含金属插层的光子晶体结构，进而引入石墨烯材料对其进行优化，并对折射率传感特性进行分析，为光子晶体传感器的研究提供了理论支撑。主要进行以下几个方面的研究工作：首先，基于表面等离子体(SPR)光学特性和光子晶体光学特性，利用光学Tamm态耦合理论，设计了含金属插层的光子晶体传感器。

5、分析了传感器的传感机理，建立了待测溶液折射率与谐振波长的数学模型，并对光子晶体周期数、入射角度、金属厚度参数进行优化，使缺陷峰的半高全宽(FWHM)和品质因数(Q值)等特性得到提高。其次，基于含金属插层的光子晶体传感结构，在金属插层表面附着一层石墨烯对传感结构进行优化。石墨烯材料具有非常高的表面体积比率，有机物和生物分子的碳基环结构和石墨烯的六元环单位可以形成堆积键，相对于金属银能有效的固定生物分子，使得电磁波与待测物充分接触，且石墨烯的加入可以防止金属银的氧化。根据Goos-Hänchen相位移与谐振波长的关系分析其传感机理，建立由待测溶液折射率与谐振波长的关系模型。在此基础上，对光

6、子晶体层数和石墨烯层数进行选择优化，使光谱最为理想。最后，分析SPR折射率传感器、含金属插层的光子晶体折射率传感器和含石墨烯材料的光子晶体折射率传感器的传感特性，并对其进行对比。研究结果表明，光子晶体与表面等离子体型传感器结合后，Q值得到很大的提高，且含石墨烯的光子晶体传感结构的传感特性比优化前提高了很多，证明了该传感结构的优势，为高Q值和高灵敏度传感器的设计提供一定的理论参考，显示了该结构在光学传感中的应用潜力。关键词：折射率传感器；光子晶体；金属；石墨烯；光学Tamm态-I-燕山大学工学硕士学位论文AbstractItisacomparativelynovelsubjecttoinv

7、estigatephotoniccrystal.Theforbiddenbandandlocalcharacteristicscanbeusedtodesignhighperformanceopticaldevices.Basedonthedesignandproductionofphotoniccrystalstructure,theopticalsensorwithcharacteristicsofsmallsizeandhig