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表面等离子体波导研究与折射率传感器设计

作　者: 李敏钰
导　师: 张波
学　校: 北京交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: 表面等离子体波混合模式 COMSOL 高折射率对比折射率传感器
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 367次
引　用: 2次
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内容摘要

随着光学技术的发展,未来的集成光学会对集成密度提出越来越高的要求。表面等离子体波由于具有可以把能量高度限制在金属与介质分界面处的特性,在高集成密度光子回路的应用上显示出了巨大的前景。基于表面等离子体共振技术的传感器作为一种新型的、高精度的传感器已经被成功应用于临床医学、生物制药、检测等领域。不同于广泛使用的棱镜或者光纤的传感器,本文提出一种了基于高折射率对比的混合型表面等离子波导传感器,并分析了它的传感特性和灵敏度。本文从金属的色散模型出发,首先分析了金属／介质单界面上的表面等离子体波及其特性。随后分析了实际应用中最常用的两种三层结构：金属-介质-金属和介质-金属-介质中的表面等离子体波,并对比了它们的传播特性。在接下来的研究中本文系统介绍了长程表面等离子体波导,介质加载表面等离子体波导,以及混合表面等离子体波导的场分布特性。并且详细分析了后者的模式特点和结构对称性,总结了其相对于前两种波导的优点。随后本文提出了一种基于这种混合长程表面等离子体波导的折射率传感器,它由有限宽度的介质-金属-介质结构和对称放置的两块高折射率的矩形介质条构成。这种混合型波导结合了表面等离子波和高折射对比效应的特点,在实现场增强的同时有很好的场约束,而且对折射率变化非常敏感。通过改变结构的几何参数和折射率参数后,光强／折射率相对灵敏度的变化趋势关系可知这种传感器在测量厚度只有几十个纳米的薄膜型样品折射率时有很大优势,光强灵敏度可以达到10-5。同时这种平板型的波导结构易于集成,在高密度的光子回路集成中有很大的应用前景。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-20
  1.1 绪论  11-12
  1.2 研究的背景和现状  12-18
    1.2.1 表面等离子体波导结构  13-15
    1.2.2 基于表面等离子体波的折射率传感器  15-18
  1.3 研究方法简介  18-19
  1.4 本文的研究内容与创新点  19-20
2 表面等离子体基本理论  20-25
  2.1 金属的光频特性  20-21
  2.2 SPPs基本理论  21-25
    2.2.1 SPPs的基本原理与特性  21-22
    2.2.2 SPPs的重要参数  22-25
3 多层结构表面等离子体波导研究  25-32
  3.1 三层结构概述  25-26
  3.2 MIM与IMI的结构分析  26-28
    3.2.1 MIM结构的性质  26-27
    3.2.2 IMI结构的性质  27-28
  3.3 两种结构的比较  28-32
4 混合长程表面等离子体波导  32-43
  4.1 长程表面等离子体波导  32-33
  4.2 介质加载的表面等离子体波导  33-35
  4.3 混合长程表面等离子体波导  35-43
    4.3.1 结构对称性分析  36-38
    4.3.2 对称的混合表面等离子体波导结构优点  38-43
5 基于混合长程表面等离子体波导的折射率传感器设计  43-63
  5.1 传感特性分析  43-55
    5.1.1 长程模的传感原理  43-48
    5.1.2 灵敏度定义  48
    5.1.3 平面平板波导薄膜折射率传感器  48-55
  5.2 基于混合长程表面等离子体波的折射率传感器设计  55-61
    5.2.1 纳米条形波导薄膜折射率传感器  55-57
    5.2.2 基于混合长程表面等离子体波的折射率传感器设计  57-61
  5.3 结论与应用前景  61-63
6 总结与展望  63-65
参考文献  65-68
作者简历  68-70
学位论文数据集  70

表面等离子体波导研究与折射率传感器设计

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