雙面金屬包覆波導中的古斯—漢欣效應及流體測量研究.pdf

1、雙面金屬包覆波導是一種平板波導,其結構從上到下,分別為上金屬耦合層,中間導波層,下金屬襯底。因為其耦合層金屬介電常數(shù)的實部為負數(shù),所以入射光可通過自由空間耦合技術耦合進導波層,無須棱鏡和光柵等,且有效折射率范圍大,可介于零與導波層折射率之間。又因為導波層厚度擴大至亞毫米量級,所以可激發(fā)出模序數(shù)很高的超高階導模。此種導模偏振不靈敏、半高全寬小、對導波層中光學參量(折射率和厚度等)的變化極其靈敏,利用這些特性,雙面金屬包覆波導可用于研究和開

2、發(fā)光學傳感器。除此之外,當雙面金屬包覆波導中輻射損耗與本征損耗大小匹配時,反射光束中的古斯—漢欣(Goos-Hanchen GH)位移能得到極大的增強,可達毫米量級。GH位移對導波層中的光學參量變化也同樣極其靈敏。本文基于雙面金屬包覆波導中超大GH位移及其靈敏特性,展開了如下四個方面的工作:
　　一、以PMN-PT透明陶瓷作為雙面金屬包覆波導的導波層,通過電控方法,實現(xiàn)了基于GH位移效應的1′3空分電光開關。光開關的研究和開發(fā)有利

3、于解決當今光通信網(wǎng)絡中日益頻繁的光信號交換和控制問題。PMN-PT透明陶瓷相對于其它電光材料,如鈮酸鋰晶體等,具有許多優(yōu)點,電光系數(shù)大、無電場滯后效應、偏振無關和響應速度快等。在雙面金屬包覆波導中,引入PMN-PT透明陶瓷,通過外加載電壓,由于電光效應和逆壓電效應,使導波層的折射率和厚度發(fā)生變化,從而引起反射光中GH位移的改變。在反射光方向放置一個三孔陣列,通過不同的外加載電壓,能讓反射光分別從不同的通道出射。實現(xiàn)了串擾小、開關時間小的

4、電光開關。
　　二、以BK7玻璃作為雙面金屬包覆波導的導波層,提出一種基于GH位移效應的高靈敏溫度傳感器。溫度是一種最基本的物理量,許多物質的力學、電學和光學等參量是隨溫度變化的函數(shù),利用這些變化規(guī)律可以開發(fā)溫度傳感器。光學溫度傳感器由于不受外界電磁干擾而倍受關注。因熱光和熱膨脹效應,環(huán)境溫度的波動能使 BK7的折射率和厚度發(fā)生相應的變化,從而引起反射光中GH位移的改變。實驗中,GH位移與溫度改變呈線性關系,0.2 oC溫度的改變

5、可引起GH位移76 mm的變化,由于所使用的位置靈敏器的最小位移分辨量為2 mm,可得出此溫度傳感器的最小溫度分辨率為5′10-3 oC。
　　三、將納米磁流體注入雙面金屬包覆波導中,實現(xiàn)了自組裝的可調諧一維磁流體周期鏈狀結構,并發(fā)現(xiàn)反射光強和GH位移均可被全光調控。周期性的微納結構具有一些奇特的性質,如光子帶隙等,但一般地待結構制作完備后,就難以通過外場進行調控。在我們的結構中,泵浦光經(jīng)上層金屬膜耦合進雙面金屬包覆波導的導波層,

6、并經(jīng)上下兩金屬層的來回反射,會形成類似于F-P腔中的駐波光場分布,且其光場相對于入射光場增強了近70倍。其駐波光場分布會對導波層中的納米磁流體施加一個梯度力,使納米磁流體向光強較強的區(qū)域聚集,這樣便會形成一維周期性結構,且此結構可通過調節(jié)泵浦光的光強大小來調控。實驗中,發(fā)現(xiàn)信號光的反射光強和GH位移均可被泵浦光全光調控,且其響應時間為秒量級。除了光捕獲效應外,Soret效應也會影響納米磁流體的排布。Soret效應是由于熱場分布不均勻會對

7、微納顆粒產(chǎn)生梯度力,其力的方向與光捕獲效應相反。我們在實驗中,發(fā)現(xiàn)存在一個泵浦光強臨界值,當泵浦光強小于這個臨界光強時,光捕獲效應占主導作用,反之,Soret效應占主導作用。
　　四、將手性液體注入雙面金屬包覆波導中,提出了一種精確測定手性液體中對映體過量的新方法。從微觀角度來看,很多物質的分子具有像“左手和右手”一樣的兩個不同形態(tài)。具有重要生理意義的有機化合物絕大多數(shù)都是手性分子,并僅以一種對映體存在。因此許多藥物的兩對映體會表