【摘 要】
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微纳光波导是一种能够在微纳米尺度下限制和引导光在结构内传输的介质波导。近些年来,随着微纳米加工技术的快速发展,基于硅半导体、聚合物和自组装有机分子等材料的有源光波导器件被广泛应用在集成光学芯片等领域上。基于稀土上转换发光材料的光波导可以在近红外光激发下实现对荧光的波导传输功能,具有生物穿透性较深和低毒性的优点,因此有望在光通信、生物成像等集成光学芯片等应用中产生重要的作用。由于稀土颗粒具有不同的形
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微纳光波导是一种能够在微纳米尺度下限制和引导光在结构内传输的介质波导。近些年来,随着微纳米加工技术的快速发展,基于硅半导体、聚合物和自组装有机分子等材料的有源光波导器件被广泛应用在集成光学芯片等领域上。基于稀土上转换发光材料的光波导可以在近红外光激发下实现对荧光的波导传输功能,具有生物穿透性较深和低毒性的优点,因此有望在光通信、生物成像等集成光学芯片等应用中产生重要的作用。由于稀土颗粒具有不同的形貌和尺寸,其相应的传输模式各不相同。因此,为了探究激发光和荧光在不同形貌尺寸的稀土微米光波导中耦合和传输的详细过程,需要采用合适的光学仿真方法和模型。目前,光学仿真的方法主要有两种:其一是基于电磁波理论的有限元方法,特点是仿真结果精确且不受衍射极限限制,但计算量较大,因此一般被用来分析尺寸小于衍射极限的硅基光波导等器件的传输情况;其二是基于几何光学原理的光线追迹仿真方法,其特点是在大于衍射极限的光学模型上能够快速计算并获得较为准确的模拟结果,但是目前有关稀土光波导模拟的相关文献并不多见。因此本论文基于非序列光线追迹仿真方法,分别对两种形貌结构不同且尺寸大于衍射极限的稀土掺杂上转换发光微米颗粒的光波导和发射现象进行模拟研究。主要研究内容如下:（1）模拟研究了不同激发条件下NaYF4:Yb3+/Er3+端头斜切微米管对激发光和荧光的不同传输特性。通过仿真发现:在激光激发微米管中间部分时,只有荧光能够耦合进微米管内波导传输;在激发端头的条件下,能够实现同时耦合激发光和荧光的波导传输功能;此外,改变微米管端头与激光的夹角,能够调控微米管对激光的耦合能力。最后与实际实验的结果进行对比发现模拟结果与实际现象基本一致。（2）在上述方法的基础上,模拟研究了 NaYF4:Yb3+/Er3+皇冠状微米波导的发光图像以及荧光的空间角发射情况。通过改变荧光光源模型的尺寸和位置,分析其对颗粒的发光图像的影响情况,选择较为符合实际的荧光光源模型模拟出了实验中真实的荧光波导角发射发光图像。最后通过改变荧光光源的位置来研究皇冠状微米波导棱角的荧光空间发射角的变化趋势,发现模拟结果与实验的变化趋势相同。
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