一維光子晶體生物學(xué)應(yīng)用的設(shè)計與仿真分析.pdf

1、當(dāng)介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，并且按照一定的周期交替排列起來時，在布拉格散射調(diào)制的條件下，電磁波在這種周期結(jié)構(gòu)中傳播時就會形成一種能帶結(jié)構(gòu)。能帶之中會產(chǎn)生光子禁帶(photonic band gap，PBG)，若是電磁波的波長被包含在禁帶范圍內(nèi)則電磁波無法通過。這樣的結(jié)構(gòu)被稱為光子晶體(photonic crystals，PCs)，具有光子晶體結(jié)構(gòu)的材料也被叫做光子帶隙材料(photonic band gap materials)。光子晶體

2、的提出不但具有強大的理論意義，而且在現(xiàn)實中也很有發(fā)展?jié)摿Α．?dāng)介電常數(shù)不相同的介質(zhì)僅在一維方向交替有序組合排列，而其他二維的方向不發(fā)生變化時，就會形成一維的光子晶體(one-dimensional photonic crystals，1-D PCs)。本文基于常用的電磁學(xué)計算方法和薄膜光學(xué)原理，首先研究了光垂直入射情況下一維光子晶體的光傳輸性質(zhì)及其禁帶的各種影響因素。接著分析了當(dāng)光子晶體中加入其他的單層介質(zhì)材料，在垂直入射的情況下光的傳輸

3、特性和影響因素。最后在這些特性的基礎(chǔ)上探索設(shè)計了一維光子晶體在生物學(xué)方面的若干應(yīng)用，并對設(shè)計模型進(jìn)行了功能仿真。根據(jù)對于數(shù)值模擬結(jié)果的分析，進(jìn)而改善模型結(jié)構(gòu)或者材料參數(shù)，使該設(shè)計的功能更趨于完善。這篇論文設(shè)計主題涵蓋了:
　　1.目前對于無機防曬材料的研究多是通過實驗直接驗證分析或應(yīng)用，鮮有通過理論數(shù)值仿真分析驗證其抗紫外線（ultraviolet, UV）功能。本文基于光學(xué)薄膜理論和光子晶體結(jié)構(gòu)，選取三種無機防曬劑進(jìn)行組合，設(shè)計

4、了兩種不同的納米薄膜涂層，并運用時域有限差分方法計算其在紫外波段的透過率與波長的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)這兩種光子晶體納米膜相應(yīng)地都會在紫外波段產(chǎn)生一個不同波長范圍的禁帶。在此帶隙內(nèi)，紫外光大部分被反射回去，透過率幾乎為零，從而在理論上驗證了無機防曬劑TiO2、SiO2、ZnO的抗紫外線功能，符合光子晶體納米薄膜隔離紫外輻射的設(shè)計初衷。仿真結(jié)果為這些無機防曬劑在遮陽傘涂層，抗紫外線納米包裝、防曬衣織物以及化妝品應(yīng)用中提供了理論依據(jù)。然后又探討了通

5、過兩個膜堆疊加來達(dá)到擴展該禁帶的波長覆蓋范圍的目的，使薄膜的防曬適用范圍更廣。
　　2.在一維光子晶體中引入單層其他介質(zhì)時，所產(chǎn)生的光子禁帶會有一個極細(xì)的透光窗口。落入這個透光口的光可以自由穿過，而其余落在透光口之外禁帶內(nèi)的光依然無法順利通過。這個透光窗口稱為光子晶體的缺陷模(defect models，DM)。在詳細(xì)分析了影響缺陷模的因素之后，以TiO2和SiO2為一維光子晶體的高低折射率介質(zhì)設(shè)計了一種新的溶液濃度檢測傳感器，并

6、以蔗糖溶液為例進(jìn)行了模擬仿真和數(shù)據(jù)擬合。蔗糖溶液的濃度不同時，折射率也不相同。初始模型通過折射率為中間參數(shù)將溶液濃度的大小與缺陷模峰值的大小聯(lián)系起來。蔗糖溶液的折射率隨溶液濃度的增大而增大，一維光子晶體檢測傳感器禁帶中所產(chǎn)生的缺陷模的峰值逐漸減小，從而通過觀察一維光子晶體透過率中缺陷模峰值的變化來表征溶液濃度的大小。進(jìn)行過模擬仿真后，本文將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到了峰值和溶液濃度的函數(shù)關(guān)系。接著對初始模型進(jìn)一步優(yōu)化，將蔗糖溶液濃度的大小