一、光子晶體研究背景

    光子晶體由于其特殊的帶隙特征很快成了學術界研究的熱點.人們利用光子晶體的帶隙特點設計了多種光電器件,如多通道濾波器[2]、光子晶體偏振器[3]、光子晶體微腔[4]、無閾值激光器[5]、光子晶體波導和光纖[6]、雙穩態和光開關[7]、超棱鏡[8]和低損耗反射鏡[9]等.

    隨著研究的深入,一些利用光子晶體帶隙特征的檢測儀器也應運而生,如美國的Bhola 團隊試驗了一種由凝膠制作而成的具有光子晶體結構的微環濕度檢測器,其靈敏度達到16pm/% RH[10],上海理工大學的梁斌明等利用二維光子晶體負折射效應所設計了一種糖溶液濃度檢測儀[11].以上研究為光子晶體的應用開辟了光電之外的新領域.

    二、光子晶體霧霾檢測儀

霧霾

    隨著時代的進步,人們對空氣質量的關注度越來越高,然而由于種種原因,霧霾天出現的頻率也由所增加,因此,對霧霾的快速、遠程檢測具有實際的意義. 李文勝等人利用光子晶體的缺陷模特征,設計了一種基于一維光子晶體的霧霾檢測儀.其核心部分是由a、b兩介質所構成的含一缺陷層的一維光子晶體,其基本原理利用了缺陷模的位置隨缺陷層中介質的折射率不同而異的特點,可以快速、遠程對霧霾實行檢測.

    研究結果表明,在a、b 兩介質及缺陷層的幾何厚度取適當值時,該光子晶體在可見光的范圍內出現了一個透射率為1 的缺陷模,且此缺陷模的中心位置與缺陷層中介質的折射率有簡單的線性關系.上述光子晶體缺陷模的這一特性,為此類檢測儀的設計提供了有益的參考.

    三、光子晶體霧霾檢測原理

    由圖1 可知,霧霾檢測儀的核心部分是一含缺陷層的一維光子晶體.由光子晶體的缺陷模理論可知,含缺陷層的光子晶體,在其帶隙中一定有對應的缺陷模,且當缺陷層的折射率不同時,缺陷模的位置也不同.

    因此,當該缺陷層中充入被不同濃度的霧霾時,因其折射率不同,對應的缺陷模的位置也不同.若能找到缺陷模中心波長與缺陷層折射率之間的關系,再由霧霾濃度和其折射率的關系,最終就能確定被測霧霾濃度與缺陷模中心波長的關系,這就是霧霾檢測儀的基本原理.

    四、檢測結果論證

    利用光子晶體缺陷模的特性,設計了一種霧霾檢測儀.其核心部分是用Si 和LiF 組成的一含空氣缺陷層的光子晶體.數值計算表明,此光子晶體在580 ~ 720 nm 間的帶隙中出現了一個透射率為1 的缺陷模.

    此缺陷模有如下特征: 當缺陷層中的折射率變化時,缺陷模的透射率不變,但其中心位置改變.折射率增加,缺陷模中心位置紅移,且缺陷模中心波長與缺陷層中的折射率之間有簡單的線性關系.

    Si 和LiF 介質層的幾何厚度分別增加時,不影響缺陷模的透射率,中心位置紅移,且移動率為變量.而缺陷層幾何厚度單獨變化時,缺陷模的透射率不變,但其中心位置移動,缺陷模中心位置隨缺陷層幾何厚度增加而紅移,且移動率為常量.

    這類光子晶體缺陷模的上述特征,為設計基于光子晶體的霧霾檢測儀提供了理論基礎,對類似氣體濃度檢測儀的設計也具有一定的指導意義.

    參考文獻

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