光子晶体形变传感器原理

光子晶体形变传感器原理

摘要:当光子晶体材料承受外载荷时,必然会引起形变,并改变其组成材料的空间排列方式,从而导致其光带隙性能的改变。而外载荷与光带隙性能之间的对应关系,计算表明,压力的大小与禁带起始波长、截止波长和禁带宽之间呈简单的线性对应关系,通过测量光带隙性能而制造出感知外载荷的传感器。外载荷也可以是温度载荷,对含耦合缺陷的不对称结构光子晶体的研究发现,其缺陷模频率附近的反射率接近于1,而缺陷模频率附近反射光的相移随频率迅速改变;当缺陷层为折射率的温度敏感材料时,温度的极微小变化就能使处于缺陷模频率的反射光相移发生很显著变化。根据这一原理,设计了高灵敏高分辨率的相位温度传感器。

关键词:光子晶体压光光的相移

20世纪80年代,John和Yablonovitch提出了光子晶体新材料,它是一种具有周期结构的人造材料,对于三维光子晶体,在一定的频率范围内,不管传播方向如何,这种材料都禁止在该频率范围内电磁波的传播,这个频带范围称为光子晶体的光带隙,人们预测,由于具有独特的光带隙性能,光子晶体将在不久的将来为光通信以及其他相关领域带来根本性的变化光子晶体是介电常数具有周期特性的人造结构材料,正是这样的结构使其具有了调制材料中光子传播状态的能力。

1 一维光子晶体PBG的性能

利用传输矩阵法,预测多层介质的光带隙性能,将一层介质等效成一个界面,应用电场强度E和磁场强度H的切向分量在界面两侧连续的边界条件,得到入射介质中的光场0,H0与出射介质中的光场E2,H2之间的关系

2 光子晶体的受力与PBG性能的关系

以上通过研究机械载荷对光子晶体的光带隙性能的影响,发现两者之间存在简单的线性关系,并因此提出了利用这种对应关系研制压光传感器的可能性。由于光子晶体的结构周期和光波波长为一个数量级,也就有可能制造出一系列精巧的压光传感器或者其他精密仪器。这种传感器的一个优点是可以在不直接接触到受压区域的情况下测量压力的大小。那么温度载荷对光子晶体的形变影响是什么呢？我们来看一下光的相位特性,许多光物理现象与相位特性有关。在光子晶体中,几乎所有光物理现象都与相位特性相关联,基于光子晶体相位特性的温度传感器,它具有很高的灵敏度。

2.1 含耦合缺陷的不对称结构光子晶体的物理特性

光子晶体缺陷模的相位特性过去很少被应用,其主要原因如下:在缺陷模光是高透射的,离开缺陷模光是高反射的,这种透射光或反射光的光强剧烈变化会使相位测量中光强无法恒定。另外,相位还受衬底等影响。通过研究我们发现,以上问题都能通过光子晶体不对称结构或异质结结构获得解决。我们计算和研究了含缺陷的一维光子晶体不

对称结构的带隙和相位特性。不对称结构使缺陷模的高透射消失,即整个带隙(包括缺陷模频率)的反射率接近于1,但在缺陷模频率附近反射光的相移随频率迅速改变。对应耦合缺陷模的每一个子峰,相移等于2π,对含5个耦合缺陷层的缺陷模,相移等于10π,并且不对称结构使衬底的影响被克服。相位曲线中有近似线性一段,这种近似线性关系在光子器件的应用中很有价值。下面我们基于光子晶体相位的上述特性,以温度传感器为例讨论光子晶体相位特性在传感器中的应用。

2.2 高灵敏高分辨率光子晶体相位温度传感器

如果光子晶体缺陷层的介质是温度敏感材料,温度变化时,缺陷模的频率和相位都将随着温度而变化。根据热光效应,温度直接性能很好满足相位温度传感器的要求。如果在某项特殊应用中既要有很高的灵敏度又要有较宽的测量范围,也可考虑用如下方法解决:可以设计一种特殊光子晶体,其杂质层是热敏材料,而周期层是电场诱变折射率材料,这样就能用电场分档改变测量范围而实现宽范围测量。另外,对高温的测量则要另选材料。利用光子晶体不对称结构解决了耦合缺陷模的不对称结构,把光子晶体的相位特性原理制作出了高灵敏高分辨率温度传感器。

3 结语

本文具体分析了机械载荷与温度载荷光子晶体传感器原理,可能制造出一系列精巧的压力、温度传感器或者其他精密仪器。这种传感

器的一个优点是可以在不直接接触到受压区域的情况下测量压力的大小,应当指出,本文的工作还是探索性的。

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