毫米尺度双面金属包覆波导中磁硫体的磁光特性

In recent years，we present a new kind of optical waveguide, named Double Metal-cladding Optical Waveguide with Millimeter Scale (DMOW-M).Compared to traditional dielectric waveguide，it has stronger confining effect and the wider range of effective refractive index of guided modes.We demonstrate theoretically and experimentally that the ultra-high order modes in DMOW-M are sensitive to the refractive index and thickness of the guiding layer and the incident wavelength. Based on this characteristic, the magnetic fluid that ware injected into the sample room is guided layer. A new magnetic optical characteristic will be invertigated that magnetic fluid is guided-mode resonance state.. Combined with the guided wave optical theory, a model based on Monte Carlo technique is applied to investigating simulation of magnetic nanoparticles self-assembled effect and magnetization evolution. We will thoroughly research nano magnetic particles in an external magnetic field to the self-assembly process. Nano magnetic particle chains or form specific spatial structure mechanism will be explored.The experimental system can test the response time of nano magnetic particles, and test optical trapping, magnetic modulation, refractive index modulation characteristics, material, temperature, concentration, magnetic field , polarized light and other factors. We will reveal the effects of nano magnetic fluid magnetic and optical properties of key elements and find a solution.We will develop a practical prospects for optoelectronic devices.A new magnetic fluid in high speed optical switch will be investigated.Base on this investigation, we will develop waveguide of magnetic fluid devices to provide new ideas and experimental reference.

近年来我们设计发展了一种新型"毫米尺度双面金属包覆波导（DMOW-M）"。该波导对电磁场的约束能力比传统的介质波导结构更强，其超高阶导模对波导参数有很高的灵敏度。基于此特性，本研究将磁流体注入DMOW-M结构中作为导波层，研究导模共振状态下磁流体的磁光新特性。.结合导波光学理论，运用Monte-Carlo 方法模拟纳米磁性颗粒的自组装效应以及磁化强度的演化，深入研究纳米磁性颗粒在外加磁场作用下的自组装过程，探索纳米磁性颗粒的成链或形成特定空间结构的机理。实验上提高纳米磁性颗粒的响应时间，测试光俘获、磁调制、折射率等特性，阐明材料、温度、浓度、磁场、偏振光等因素的相互关系，揭示DMOW-M结构中影响磁流体磁光特性的关键要素，并找到解决办法。由此研制一种有实用化前景的原型光电子器件- - 磁流体高速光开关。通过本项目的研究，为研制实用化的波导磁流体光电子器件提供新思路和实验参考。

磁流体这种新型功能材料，能在很大程度上改变光的透射率和折射率等光学特性，为新型光子器件提供了新材料、新方法和新途径。毫米尺度双面金属包覆波导（DMOW-M），对电磁场的约束能力比传统的介质波导结构更强，其超高阶导模对波导参数有很高的灵敏度。基于此特性，项目组将磁流体注入DMOW-M结构中，形成磁流体波导。通过本项目的研究，获得了一些磁流体波导磁光新特性的成果，为研制实用化的波导磁流体光电子器件提供了新思路和实验参考。在研究内容上主要做了以下工作：. 1．对DMOW-M结构的光学特性进行研究。实验上发现波导上层银膜为55nm时，对于磁流体波导达到最佳光耦合层效率。. 2．研究波导中磁流体的自组装效应：观察到磁流体波导层的振荡场对波导中的磁流体产生光捕获效应，实现了自组装的可调谐一维磁流体的周期性链状结构；利用光捕获效应，提出了一种形成环状光栅的简易方案；提高了纳米磁性颗粒调制响应时间。实验上测试了磁流体波导折射率的变化情况，申请了发明专利2项。. 3．根据项目主持人参加的两项关于DMOW-M结构古斯－汉欣(GH)位移的国家基金项目（基金号10874121、61265001），探究了磁流体中的GH位移，实现了磁场作用下操控光束的平移达毫米量级，发现信号光的反射光强和GH 位移均可被泵浦光全光调控，且其响应时间为秒量级。. 4．拓展研究了DMOW-M结构在其他领域的应用，例如：气体传感、湿度传感、微量农药检测、光波导微型光反应器、波长锁定、手性液体测定等，为后续课题的开展以及相关领域研究提供了一种新方法。. 5．完成了项目的预期目标，发表SCI期刊论文15篇。参加国际会议1次，国内会议9次。培养研究生5名。