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当介质具有不同的介电常数,并且按照一定的周期交替排列起来时,在布拉格散射调制的条件下,电磁波在这种周期结构中传播时就会形成一种能带结构。能带之中会产生光子禁带(photonic band gap,PBG),若是电磁波的波长被包含在禁带范围内则电磁波无法通过。这样的结构被称为光子晶体(photonic crystals,PCs),具有光子晶体结构的材料也被叫做光子带隙材料(photonic band gap materials)。光子晶体的提出不但具有强大的理论意义,而且在现实中也很有发展潜力。当介电常数不相同的介质仅在一维方向交替有序组合排列,而其他二维的方向不发生变化时,就会形成一维的光子晶体(one-dimensional photonic crystals,1-D PCs)。本文基于常用的电磁学计算方法和薄膜光学原理,首先研究了光垂直入射情况下一维光子晶体的光传输性质及其禁带的各种影响因素。接着分析了当光子晶体中加入其他的单层介质材料,在垂直入射的情况下光的传输特性和影响因素。最后在这些特性的基础上探索设计了一维光子晶体在生物学方面的若干应用,并对设计模型进行了功能仿真。根据对于数值模拟结果的分析,进而改善模型结构或者材料参数,使该设计的功能更趋于完善。这篇论文设计主题涵盖了:1.目前对于无机防晒材料的研究多是通过实验直接验证分析或应用,鲜有通过理论数值仿真分析验证其抗紫外线(ultraviolet,UV)功能。本文基于光学薄膜理论和光子晶体结构,选取三种无机防晒剂进行组合,设计了两种不同的纳米薄膜涂层,并运用时域有限差分方法计算其在紫外波段的透过率与波长的关系曲线,发现这两种光子晶体纳米膜相应地都会在紫外波段产生一个不同波长范围的禁带。在此带隙内,紫外光大部分被反射回去,透过率几乎为零,从而在理论上验证了无机防晒剂Ti02、Si02、ZnO的抗紫外线功能,符合光子晶体纳米薄膜隔离紫外辐射的设计初衷。仿真结果为这些无机防晒剂在遮阳伞涂层,抗紫外线纳米包装、防晒衣织物以及化妆品应用中提供了理论依据。然后又探讨了通过两个膜堆叠加来达到扩展该禁带的波长覆盖范围的目的,使薄膜的防晒适用范围更广。2.在一维光子晶体中引入单层其他介质时,所产生的光子禁带会有一个极细的透光窗口。落入这个透光口的光可以自由穿过,而其余落在透光口之外禁带内的光依然无法顺利通过。这个透光窗口称为光子晶体的缺陷模(defect models,DM)。在详细分析了影响缺陷模的因素之后,以Ti02和Si02为一维光子晶体的高低折射率介质设计了一种新的溶液浓度检测传感器,并以蔗糖溶液为例进行了模拟仿真和数据拟合。蔗糖溶液的浓度不同时,折射率也不相同。初始模型通过折射率为中间参数将溶液浓度的大小与缺陷模峰值的大小联系起来。蔗糖溶液的折射率随溶液浓度的增大而增大,一维光子晶体检测传感器禁带中所产生的缺陷模的峰值逐渐减小,从而通过观察一维光子晶体透过率中缺陷模峰值的变化来表征溶液浓度的大小。进行过模拟仿真后,本文将仿真数据进行了拟合,得到了峰值和溶液浓度的函数关系。接着对初始模型进一步优化,将蔗糖溶液浓度的大小与缺陷模出现位置的变化联系起来。蔗糖浓度越大,缺陷模在禁带中出现的位置就向波长增大的方向挪动,且区分范围变大。从而可以用缺陷模产生的不同位置来表征溶液浓度的大小。该模型在进行优化之后,更能体现一维光子晶体对于缺陷介质的折射率敏感的特征,且中间的检测微腔几何厚度固定,制作更为简便.