一維光子晶體生物學應用的設計與仿真分析.pdf

1、當介質具有不同的介電常數(shù)，并且按照一定的周期交替排列起來時，在布拉格散射調制的條件下，電磁波在這種周期結構中傳播時就會形成一種能帶結構。能帶之中會產生光子禁帶(photonic band gap，PBG)，若是電磁波的波長被包含在禁帶范圍內則電磁波無法通過。這樣的結構被稱為光子晶體(photonic crystals，PCs)，具有光子晶體結構的材料也被叫做光子帶隙材料(photonic band gap materials)。光子晶體

2、的提出不但具有強大的理論意義，而且在現(xiàn)實中也很有發(fā)展?jié)摿?。當介電常?shù)不相同的介質僅在一維方向交替有序組合排列，而其他二維的方向不發(fā)生變化時，就會形成一維的光子晶體(one-dimensional photonic crystals，1-D PCs)。本文基于常用的電磁學計算方法和薄膜光學原理，首先研究了光垂直入射情況下一維光子晶體的光傳輸性質及其禁帶的各種影響因素。接著分析了當光子晶體中加入其他的單層介質材料，在垂直入射的情況下光的傳輸

3、特性和影響因素。最后在這些特性的基礎上探索設計了一維光子晶體在生物學方面的若干應用，并對設計模型進行了功能仿真。根據(jù)對于數(shù)值模擬結果的分析，進而改善模型結構或者材料參數(shù)，使該設計的功能更趨于完善。這篇論文設計主題涵蓋了:
　　1.目前對于無機防曬材料的研究多是通過實驗直接驗證分析或應用，鮮有通過理論數(shù)值仿真分析驗證其抗紫外線（ultraviolet, UV）功能。本文基于光學薄膜理論和光子晶體結構，選取三種無機防曬劑進行組合，設計

4、了兩種不同的納米薄膜涂層，并運用時域有限差分方法計算其在紫外波段的透過率與波長的關系曲線，發(fā)現(xiàn)這兩種光子晶體納米膜相應地都會在紫外波段產生一個不同波長范圍的禁帶。在此帶隙內，紫外光大部分被反射回去，透過率幾乎為零，從而在理論上驗證了無機防曬劑TiO2、SiO2、ZnO的抗紫外線功能，符合光子晶體納米薄膜隔離紫外輻射的設計初衷。仿真結果為這些無機防曬劑在遮陽傘涂層，抗紫外線納米包裝、防曬衣織物以及化妝品應用中提供了理論依據(jù)。然后又探討了通

5、過兩個膜堆疊加來達到擴展該禁帶的波長覆蓋范圍的目的，使薄膜的防曬適用范圍更廣。
　　2.在一維光子晶體中引入單層其他介質時，所產生的光子禁帶會有一個極細的透光窗口。落入這個透光口的光可以自由穿過，而其余落在透光口之外禁帶內的光依然無法順利通過。這個透光窗口稱為光子晶體的缺陷模(defect models，DM)。在詳細分析了影響缺陷模的因素之后，以TiO2和SiO2為一維光子晶體的高低折射率介質設計了一種新的溶液濃度檢測傳感器，并

6、以蔗糖溶液為例進行了模擬仿真和數(shù)據(jù)擬合。蔗糖溶液的濃度不同時，折射率也不相同。初始模型通過折射率為中間參數(shù)將溶液濃度的大小與缺陷模峰值的大小聯(lián)系起來。蔗糖溶液的折射率隨溶液濃度的增大而增大，一維光子晶體檢測傳感器禁帶中所產生的缺陷模的峰值逐漸減小，從而通過觀察一維光子晶體透過率中缺陷模峰值的變化來表征溶液濃度的大小。進行過模擬仿真后，本文將仿真數(shù)據(jù)進行了擬合，得到了峰值和溶液濃度的函數(shù)關系。接著對初始模型進一步優(yōu)化，將蔗糖溶液濃度的大小