1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
提出基于光子晶体多缺陷耦合实现紫外波段高透射带通滤波的方案，采用传输矩阵法分析日盲紫外带通滤波器的光学传输特性。通过减弱光子局域和多个缺陷耦合效应，实现光子晶体通带的拓宽和边沿截止陡度的调整，可在239~280 nm日盲紫外波段实现平均透过率为90.71%的高透射，且在239 nm以下和290~360 nm的阻带波段实现高抑制。研究结果表明，弱化光子局域和不同缺陷峰耦合作用可以有效拓宽通带范围，提升通带透过率，同时该结构对光源小角度（<15°）入射不敏感。该滤光器设计方案可应用于日盲紫外探测和紫外通信系统。
光学器件 光子晶体 缺陷耦合 带通滤波器 日盲紫外探测 光子局域
1 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
3 天津大学理学院量子交叉研究中心, 天津 300350
提出了一种基于谷霍尔效应的单向波导,波导结构由两种不同拓扑性质的光子晶体组成。这两种光子晶体均是由Al70Ga30As和Si介质柱构成,可以实现光在通信波段中的单向通过。仿真结果表明,所提结构不仅可以实现光路的大角度转弯,还对缺陷具有良好的耐受性,为具有高效光传输特性的新型光波导设计提供了参考。
集成光学 光子晶体 谷霍尔效应 拓扑光学 单向传输 边界态 光学学报
2021, 41(19): 1913001
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院，山西 太原 030024
本文提出了一种纳流通道-谐振腔耦合结构，用于实现对荧光物质微位移的检测。在本文中，首先，使用时域有限差分法，研究了量子点偏振态及结构参数对荧光与结构耦合效果的影响，进而对结构进行优化；然后，通过测量耦合结构输出光功率的变化，实现对荧光物质微位移的检测；最后，对影响传感灵敏度的因素进行研究。结果表明，相比传统方法，纳流通道-谐振腔耦合结构的折射率处于2.8~3.3之内时，该结构都可以实现对荧光物质微位移的高精度准确传感，并且通过减小纳流通道与谐振腔的间距可进一步提高传感灵敏度。
纳流通道 谐振腔 量子点 微位移 nanofluidic channel resonant cavity quantum dots micro-displacement
1 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
3 斯威本科技大学埃米材料转化中心, 澳大利亚 维多利亚 3122
从理论上提出了一种可以实现圆偏振光波非对称传输的器件设计。该器件是由锗、硅以及空气孔洞构成的具有完全光子禁带的二维光子晶体异质结构。本研究通过在光子晶体中引入线缺陷,构成能够实现高正向透射的光波导结构,同时设计可将光波发散的微腔结构并结合全反射原理抑制反向入射光,实现圆偏振光非对称传输,最终实现了圆偏振光在光通信波段(1550 nm)附近的高正向透射率(可达0.726)的非对称传输。圆偏振是具有固定相位差(π/2)的任意正交线偏振光的线性叠加,本研究设计的结构同时可以实现任意线偏振光的非对称传输,因此具有广泛的应用前景,其应用领域包括量子通信、信息处理、集成光学。
集成光学 圆偏振光 完全光子禁带 全反射界面 非对称传输
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室，山西 太原 030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院，山西 太原 030024
本文提出一种大尺度的金属-电介质复合微纳结构(银-硅结构)，用于提高荧光生物检测的灵敏度及解决荧光物质距离结构远场范围时荧光增强的近场局限。这种大尺度的金属-电介质复合微纳结构与之前的金属-电介质复合微纳结构不同，其通过光的散射和干涉实现了荧光物质距离结构远场范围时的荧光增强。在本文中，通过采用时域有限差分法，主要从荧光激发和荧光发射两个过程研究银-硅结构。结果表明，在激发过程中，银-硅结构的荧光强度高于玻璃结构且位于银-硅结构两柱之间的狭缝中的电场分布比金属结构(银结构)更均匀，因此在银-硅结构中可以实现荧光增强，而且分子运动行为的检测更准确。在发射过程中，当荧光纳米粒子距离结构远场范围内时，与玻璃相比，银-硅结构可以实现更好的荧光增强效果。利用银-硅结构实现荧光增强的机理是光的散射和干涉，荧光被银膜向上散射，同时，结构两侧的银/硅柱也散射一部分荧光，荧光相互干涉传播至远场实现荧光增强。此外，银-硅结构易于制备和集成。因此，其可以很好地应用于生物传感领域。
荧光增强 金属-电介质结构 远场 生物传感 fluorescence enhancement metal-dielectric structure far-field biosensing
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部/山西省重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
在纳米光子学中, 提高荧光物质的定向发光强度是许多应用要解决的关键问题。为了优化电介质纳米天线的荧光增强能力, 本文提出了一种由硅纳米球二聚体与TiO2微球组成的电介质球复合纳米天线。通过时域有限差分法, 本文分别从量子产率增强、荧光收集效率增强以及荧光激发率增强3个方面研究了该复合纳米天线对荧光的增强效果。结果表明, 这种复合纳米天线不仅可以解决单个TiO2微球增强荧光时量子产率较低的问题, 还可以弥补单个硅纳米球二聚体增强荧光时荧光收集效率较差的不足。该复合纳米天线可使CdSe量子点的量子产率增强约4倍、荧光收集效率增强约2倍。此外, 由于硅纳米球二聚体与TiO2微球对荧光激发过程具有增强效果, 该复合天线最终可以产生较高的荧光定向增强倍数。在量子点发光的中心波长523 nm处, 荧光定向增强约为3 064倍。
复合纳米天线 电介质球 荧光增强 定向发光 hybrid nano-antenna dielectric sphere fluorescence enhancement directional emission
1 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
2 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
基于光子晶体异质结构实现光波单向传输在全光网络和光信息处理中有重要意义。基于全反射原理设计了两种由二氧化硅和锗材料构筑的三角晶格光子晶体波导异质结构, 运用时域有限差分法对该结构在宽频带内的单向传输特性进行分析。通过改变正向出射端波导宽度对结构进一步优化, 实现了在异质结构一中, TE模式光波在1458~1517 nm波长范围内正向透射率高于0.8, 透射对比度高于0.9的单向传输；在异质结构二中, TM模式光波在1498~1689 nm波长范围内正向透射率高于0.8, 透射对比度接近于1的单向传输。
光学器件 光波单向传输器 时域有限差分法 光子晶体 全反射界面 波导
1 太原理工大学 物理与光电工程学院
2 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 太原 030024
采用传输矩阵法分别模拟了缺陷层厚度、入射角度和膜厚微扰的变化对含空气缺陷的一维光子晶体滤波特性的影响.研究表明:对于空气厚度可调结构,在考虑色散的情况下,空气厚度每增加2 nm透射波长相应向长波方向移动约2 nm,二者基本呈1 :1的线性关系;对于入射角度可调结构,与正入射相比较,入射角度从0°到89°变化时,其全角度禁带分别减小了105 nm(TE模)、600 nm(TM模),TM模禁带受角度的变化影响较大;入射角从0°分别变化到16.9°(TE模)、17.0°(TM模)时实现C波段的可调滤波.同一周期内,两种材料的模厚误差的相互弥补,能够实现小范围的膜厚扰动不敏感,缩小实际滤过峰值与理论值的偏差,可降低制备光子晶体的难度.
一维光子晶体 传输矩阵法 可调谐光滤波器 膜厚微扰 光子禁带 透射谱 One-dimensional photonic crystal Transfer matrix method Tunable optical filter Thickness perturbation Photonic bandgap Transmittance spectra
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
文章采用4×4传输矩阵法研究了两种一维磁光子晶体结构的宽带光隔离特性.结构一在外加磁场与光路光轴方向呈41.0°角时, 用22.90μm的总厚度实现了3nm的宽带光隔离, 且在宽带范围内法拉第旋转角和透射率分别在45°~48.89°和99.86~99.95%之间波动, 此结构在宽带范围内均可实现稳定的光隔离; 结构二在外加磁场与光路光轴方向平行时, 用18.61μm的总厚度实现了1nm的宽带光隔离, 且在宽带范围内法拉第旋转角和透射率分别在45.83°~45.89°和98.53~98.78%之间波动, 此结构无需调节外加磁场角度即可实现光隔离.
应用物理学 宽带光隔离 传输矩阵法 一维磁光子晶体 applied physics flat-top response optical isolator transfer matrix method one-dimensional magneto-photonic crystal
