雙面金屬包覆波導(dǎo)中的古斯—漢欣效應(yīng)及流體測(cè)量研究.pdf

1、雙面金屬包覆波導(dǎo)是一種平板波導(dǎo),其結(jié)構(gòu)從上到下,分別為上金屬耦合層,中間導(dǎo)波層,下金屬襯底。因?yàn)槠漶詈蠈咏饘俳殡姵?shù)的實(shí)部為負(fù)數(shù),所以入射光可通過(guò)自由空間耦合技術(shù)耦合進(jìn)導(dǎo)波層,無(wú)須棱鏡和光柵等,且有效折射率范圍大,可介于零與導(dǎo)波層折射率之間。又因?yàn)閷?dǎo)波層厚度擴(kuò)大至亞毫米量級(jí),所以可激發(fā)出模序數(shù)很高的超高階導(dǎo)模。此種導(dǎo)模偏振不靈敏、半高全寬小、對(duì)導(dǎo)波層中光學(xué)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(dǎo)可用于研究和開(kāi)

2、發(fā)光學(xué)傳感器。除此之外,當(dāng)雙面金屬包覆波導(dǎo)中輻射損耗與本征損耗大小匹配時(shí),反射光束中的古斯—漢欣(Goos-Hanchen GH)位移能得到極大的增強(qiáng),可達(dá)毫米量級(jí)。GH位移對(duì)導(dǎo)波層中的光學(xué)參量變化也同樣極其靈敏。本文基于雙面金屬包覆波導(dǎo)中超大GH位移及其靈敏特性,展開(kāi)了如下四個(gè)方面的工作:
　　一、以PMN-PT透明陶瓷作為雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)波層,通過(guò)電控方法,實(shí)現(xiàn)了基于GH位移效應(yīng)的1′3空分電光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)有利

3、于解決當(dāng)今光通信網(wǎng)絡(luò)中日益頻繁的光信號(hào)交換和控制問(wèn)題。PMN-PT透明陶瓷相對(duì)于其它電光材料,如鈮酸鋰晶體等,具有許多優(yōu)點(diǎn),電光系數(shù)大、無(wú)電場(chǎng)滯后效應(yīng)、偏振無(wú)關(guān)和響應(yīng)速度快等。在雙面金屬包覆波導(dǎo)中,引入PMN-PT透明陶瓷,通過(guò)外加載電壓,由于電光效應(yīng)和逆壓電效應(yīng),使導(dǎo)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(gè)三孔陣列,通過(guò)不同的外加載電壓,能讓反射光分別從不同的通道出射。實(shí)現(xiàn)了串?dāng)_小、開(kāi)關(guān)時(shí)間小的

4、電光開(kāi)關(guān)。
　　二、以BK7玻璃作為雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)波層,提出一種基于GH位移效應(yīng)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(zhì)的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)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(kāi)發(fā)溫度傳感器。光學(xué)溫度傳感器由于不受外界電磁干擾而倍受關(guān)注。因熱光和熱膨脹效應(yīng),環(huán)境溫度的波動(dòng)能使 BK7的折射率和厚度發(fā)生相應(yīng)的變化,從而引起反射光中GH位移的改變。實(shí)驗(yàn)中,GH位移與溫度改變呈線性關(guān)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(dǎo)中,實(shí)現(xiàn)了自組裝的可調(diào)諧一維磁流體周期鏈狀結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)反射光強(qiáng)和GH位移均可被全光調(diào)控。周期性的微納結(jié)構(gòu)具有一些奇特的性質(zhì),如光子帶隙等,但一般地待結(jié)構(gòu)制作完備后,就難以通過(guò)外場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控。在我們的結(jié)構(gòu)中,泵浦光經(jīng)上層金屬膜耦合進(jìn)雙面金屬包覆波導(dǎo)的導(dǎo)波層,

6、并經(jīng)上下兩金屬層的來(lái)回反射,會(huì)形成類(lèi)似于F-P腔中的駐波光場(chǎng)分布,且其光場(chǎng)相對(duì)于入射光場(chǎng)增強(qiáng)了近70倍。其駐波光場(chǎng)分布會(huì)對(duì)導(dǎo)波層中的納米磁流體施加一個(gè)梯度力,使納米磁流體向光強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域聚集,這樣便會(huì)形成一維周期性結(jié)構(gòu),且此結(jié)構(gòu)可通過(guò)調(diào)節(jié)泵浦光的光強(qiáng)大小來(lái)調(diào)控。實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)信號(hào)光的反射光強(qiáng)和GH位移均可被泵浦光全光調(diào)控,且其響應(yīng)時(shí)間為秒量級(jí)。除了光捕獲效應(yīng)外,Soret效應(yīng)也會(huì)影響納米磁流體的排布。Soret效應(yīng)是由于熱場(chǎng)分布不均勻會(huì)對(duì)

7、微納顆粒產(chǎn)生梯度力,其力的方向與光捕獲效應(yīng)相反。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)泵浦光強(qiáng)臨界值,當(dāng)泵浦光強(qiáng)小于這個(gè)臨界光強(qiáng)時(shí),光捕獲效應(yīng)占主導(dǎo)作用,反之,Soret效應(yīng)占主導(dǎo)作用。
　　四、將手性液體注入雙面金屬包覆波導(dǎo)中,提出了一種精確測(cè)定手性液體中對(duì)映體過(guò)量的新方法。從微觀角度來(lái)看,很多物質(zhì)的分子具有像“左手和右手”一樣的兩個(gè)不同形態(tài)。具有重要生理意義的有機(jī)化合物絕大多數(shù)都是手性分子,并僅以一種對(duì)映體存在。因此許多藥物的兩對(duì)映體會(huì)表