一、光子晶体研究背景

    光子晶体由于其特殊的带隙特征很快成了学术界研究的热点.人们利用光子晶体的带隙特点设计了多种光电器件,如多通道滤波器[2]、光子晶体偏振器[3]、光子晶体微腔[4]、无阈值激光器[5]、光子晶体波导和光纤[6]、双稳态和光开关[7]、超棱镜[8]和低损耗反射镜[9]等.

    随着研究的深入,一些利用光子晶体带隙特征的检测仪器也应运而生,如美国的Bhola 团队试验了一种由凝胶制作而成的具有光子晶体结构的微环湿度检测器,其灵敏度达到16pm/% RH[10],上海理工大学的梁斌明等利用二维光子晶体负折射效应所设计了一种糖溶液浓度检测仪[11].以上研究为光子晶体的应用开辟了光电之外的新领域.

    二、光子晶体雾霾检测仪

雾霾

    随着时代的进步,人们对空气质量的关注度越来越高,然而由于种种原因,雾霾天出现的频率也由所增加,因此,对雾霾的快速、远程检测具有实际的意义. 李文胜等人利用光子晶体的缺陷模特征,设计了一种基于一维光子晶体的雾霾检测仪.其核心部分是由a、b两介质所构成的含一缺陷层的一维光子晶体,其基本原理利用了缺陷模的位置随缺陷层中介质的折射率不同而异的特点,可以快速、远程对雾霾实行检测.

    研究结果表明,在a、b 两介质及缺陷层的几何厚度取适当值时,该光子晶体在可见光的范围内出现了一个透射率为1 的缺陷模,且此缺陷模的中心位置与缺陷层中介质的折射率有简单的线性关系.上述光子晶体缺陷模的这一特性,为此类检测仪的设计提供了有益的参考.

    三、光子晶体雾霾检测原理

    由图1 可知,雾霾检测仪的核心部分是一含缺陷层的一维光子晶体.由光子晶体的缺陷模理论可知,含缺陷层的光子晶体,在其带隙中一定有对应的缺陷模,且当缺陷层的折射率不同时,缺陷模的位置也不同.

    因此,当该缺陷层中充入被不同浓度的雾霾时,因其折射率不同,对应的缺陷模的位置也不同.若能找到缺陷模中心波长与缺陷层折射率之间的关系,再由雾霾浓度和其折射率的关系,最终就能确定被测雾霾浓度与缺陷模中心波长的关系,这就是雾霾检测仪的基本原理.

    四、检测结果论证

    利用光子晶体缺陷模的特性,设计了一种雾霾检测仪.其核心部分是用Si 和LiF 组成的一含空气缺陷层的光子晶体.数值计算表明,此光子晶体在580 ~ 720 nm 间的带隙中出现了一个透射率为1 的缺陷模.

    此缺陷模有如下特征: 当缺陷层中的折射率变化时,缺陷模的透射率不变,但其中心位置改变.折射率增加,缺陷模中心位置红移,且缺陷模中心波长与缺陷层中的折射率之间有简单的线性关系.

    Si 和LiF 介质层的几何厚度分别增加时,不影响缺陷模的透射率,中心位置红移,且移动率为变量.而缺陷层几何厚度单独变化时,缺陷模的透射率不变,但其中心位置移动,缺陷模中心位置随缺陷层几何厚度增加而红移,且移动率为常量.

    这类光子晶体缺陷模的上述特征,为设计基于光子晶体的雾霾检测仪提供了理论基础,对类似气体浓度检测仪的设计也具有一定的指导意义.

    参考文献

    [1] Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission Solid State Physics and Electronics[J]. Phys. rev. Lett. ,1987,58( 20) : 2059-2062.

    [2] 李文胜,张琴,付艳华. 一种基于复式光子晶体的多通道红外滤波器[J]. 人工晶体学报,2014,43( 2) : 465-468.Li W S,Zhang Q,Fu Y H. A Multiple-Channel Infrared Filter Based on Compound Photonic Crystal [J]. Journal of Synthetic Crystal,2014,43( 2) : 465-468. ( in Chinese) .

    [3] 李文胜,罗时军,黄海铭,等. 含特异材料光子晶体隧穿模的偏振特性[J]. 物理学报,2012,61( 10) : 104101. 1-104101. 5 Li W S,Luo S J,Huang H M, et al. Polarization Properties of One-Dimensional photonic Crystal Tunneling Mode Containing Metamaterials[J].Acta phys. Sin. 2012,61( 10) : 04101. 1-104101. 5( in Chinese) .

    [4] Chen Y Y,Fang Y,Huang S H,et al. Surface Tamm States in One-dimensional Photonic Crystals Containing Anisotropic Indefinite Metamaterials[J]. Chin Opt Lett,2013,11( 6) : 61602-61607.

    [5] 刘其海,胡冬生,尹小刚,等. 由单负材料组成的含有缺陷的一维光子晶体结构中的缺陷模[J]. 物理学报,2011,60: 094101.Liu Q H,Hu D S,Yin X G ,et al. Defect Mode in One-Dimensional Photonic Crystal Consisting of Single-Negative Materials with an Impurity Layer[J]. Acta Phys. Sin. ,2011,60: 094101( in Chinese) .

    [6] 张正仁,隆正文,袁玉群,等. 对称型单负交替一维光子晶体的能带结构[J]. 物理学报,2010,59( 1) : 587-591. Zhang Z R,Long Z W,Yuang Q,et al. The Band Structure of Symmetrical Structured 1-D Photonic Crystal with Single-Negative Materials[J].Acta phys. Sin. ,2010,59( 1) : 587-591( in Chinese) .

    [7] 苏坚,陈鹤鸣. 基于液晶光子晶体的太赫兹波调制器[J]. 光学学报,2010,30( 9) : 2710-2713.Su J,Chen H M . Terahertz Wave Modulator Based on Liquid-Crystal-Filled Photonic Crystal[J]. Acta Optica Sinica,2010,30( 9) : 2710-2713( in Chinese) .

    [8] Yun T F. Direction and Frequency Filter Basing on an Ultra-Compact Structure Consisting of Dielectric Films[J]. Optics & Laser Technology,2010,( 42) : 850-853.

    [9] Kohen S,Williams B S,Hu Q. Electromagnetic Modeling of Terahertz Quantum Cascade Laser Waveguides and Resonators[J]. Appl. Phys. ,2005,( 97) : 053106.

    [10] Bhola B,Nosovitskiy P,Ma H, et al. Sol-gel-based Integrated Optical Microring Resonator Humidity Sensor[J]. IEEE Sens. J. ,2009,9( 7) : 740-747.