Thesis (M.S.)--Rochester Institute of Technology, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 111-114).

This research presents a novel biosensor which utilizes the refractive index sensitivity of a fiber optic long-period grating. The long period grating couples light from the forward propagating guided core mode of a single-mode fiber into discrete circularly symmetric cladding modes. Due to imperfections in the cladding surface, loss bands are seen in the transmission spectrum corresponding to the coupled wavelengths. Based on the phase-matching condition between the coupling and coupled modes, the loss bands shift with changes in the refractive index of the surrounding medium. The grating surface is chemically treated to covalently bond antibody to the cladding of the sensor. Treatment with the proper antigen increases the effective index seen by the cladding modes and affects the placement of the loss bands. This sensor demonstrates specific antigen binding capacity with loss band shifts of 10 nm or more. The device offers several advantages over the widely used Enzyme-Linked Immuno-Sorbent Assays. Diagnostic applications can be expanded beyond the tests presented here. / Master of Science

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Les éléments de diffraction sont largement utilises aujourd'hui dans un nombre grandissant d'applications grâce à la progression des technologies de micro-structuration dans le sillage de la microélectronique. Pour un design optimal de ces éléments, des méthodes de modélisation précises sont nécessaires. Plusieurs méthodes ont été développées et sont utilisées avec succès pour des réseaux de diffraction unidimensionnel de différents types. Cependant, les méthodes existantes pour les réseaux deux dimensionnel ne couvrent pas tous types de structures possibles. En particulier, le calcul de l'efficacité de diffraction sur les réseaux métalliques à deux dimensionnel avec parois verticales représente encore une grosse difficulté pour les méthodes existantes. Le présent travail a l'objectif le développement d'une méthode exacte de calcul de l'efficacité de diffraction de tels réseaux qui puisse servir de référence. La méthode modale développée ici - dénommée -true-mode" en anglais - exprime le champ électromagnétique sur la base des vrais modes électromagnétiques satisfaisant les conditions limites de la structure 2D à la différence d'une méthode modale où les modes sont ceux d'une structure approchée obtenue, par exemple, par développement de Fourier. L'identification et la représentation de ces vrais modes 'a deux dimensions restait 'a faire et ce n'est pas le moindre des résultats du présent travail que d'y avoir conduit. Les expressions pour la construction du champ sont données avec des exemples de résultats concrets. Sont aussi fournies les équations pour le calcul des intégrales de recouvrement et des éléments de la matrice de diffusion.

The primary objective of the presented research is to develop a class of integrated compact silicon diffractive sensors (CSDS) based on in-plane diffraction gratings. This class of sensors uses a silicon-on-insulator (SOI) substrate to limit costs, exploit established fabrication processes, enable integration of supporting electronics, and use the well-understood telecommunications wavelength of 1.55µm. Sensing is achieved by combining constant-diffraction-efficiency and highly-angularly-selective in-plane resonance-domain diffraction gratings. Detection is based on the diffraction efficiency of the highly angularly selective grating. In this research, the design processes for the constant-diffraction-efficiency and the highly angularly selective gratings are detailed. Grating designs are optimized with rigorous coupled-wave analysis (RCWA) and simulated with finite-difference time-domain (FDTD) analysis. Fabrication results are presented for the CSDS gratings. An inductively coupled plasma (ICP) Bosch etch process enables grating fabrication to within one percent of designed values with nearly vertical sidewalls. Experimental results are presented for individual CSDS gratings, the prototype sensor, and a prototype linear sensor array. The results agree well with simulation. The linear sensor array prototype demonstrates the intrinsic splitting mechanism and forms the basis of a 2-D sensor array. Finally, a toluene sensor was functionally demonstrated. The proof-of-concept device includes a polymer immobilization layer and microfluidic delivery of toluene. Toluene concentrations as low as 100ppm are measured, corresponding to a refractive index change of 3x10⁻⁴ RIU.

In this study, the phase grating was investigated by using electro-optical characteristics of blue phase liquid crystals(BPLCs) such as fast-response and optically isotropic etc. The BPLC units was affected by distribution of periodically electric field and then changed the cubic structure into others, when applying voltage in etched electrode of grating pattern. A linearly polarized light is incident upon the sample and experience the periodic difference of index, and diffraction effect was generated. In order to find out the best conditions of these liquid crystals device, we discussed different factor such as angle of linearly polarized light, operating temperature of grating, cooling rate and electrode structure.

Thesis (M.Eng.)--University of Wollongong, 2006. / Typescript. Includes bibliographical references: leaf 101-106.

Thesis (Ph. D.)--Virginia Polytechnic Institute and State University, 1997. / Vita. Abstract. Includes bibliographical references (leaves 148-155). Also available electronically via Internet.

Les éléments de diffraction sont largement utilisés aujourd'hui dans un nombre grandissant d'applications grâce à la progression des technologies de microstructuration dans le sillage de la micro-électronique. Pour un design optimal de ces éléments, des méthodes de modélisation précises sont nécessaires. Plusieurs méthodes ont été développées et sont utilisées avec succès pour des réseaux de diffraction unidimensionnel de différents types. Cependant, les méthodes existantes pour les réseaux deux dimensionnel ne couvrent pas tous types de structures possibles. En particulier, le calcul de l'efficacité de diffraction sur les réseaux métalliques à deux dimensionnel avec parois verticales représente encore une grosse difficulté pour les méthodes existantes. Le présent travail a pour objectif le développement d'une méthode exacte de calcul de l'efficacité de diffraction de tels réseaux qui puisse servir de référence. La méthode modale développée ici - dénommée ,,true-mode" en anglais - exprime le champ électromagnétique sur la base des vrais modes électromagnétiques satisfaisant les conditions limites de la structure 2D à la différence d'une méthode modale où les modes sont ceux d'une structure approchée obtenue, par exemple, par développement de Fourier. L'identification et la représentation de ces vrais modes à deux dimensions restait à faire et ce n'est pas le moindre des résultats du présent travail que d'y avoir conduit. Les expressions pour la construction du champ sont données avec des exemples de résultats concrets. Sont aussi fournies les équations pour le calcul des intégrales de recouvrement et des éléments de la matrice de diffusion / Diffractive elements are widely used in many applications now as the microstructuring technologies are making fast progresses in the wake of microelectronics. For the optimization of these elements accurate modeling methods are needed. There exists well-developed and widely used methods for one-dimensional diffraction gratings of different types. However, the methods available for solving two-dimensional periodic structures do not cover all possible grating types. The development of a method to calculate the diffraction efficiency of two dimensional metallic gratings represents the objective of this work. The one-dimensional true-mode method is based on the representation of the field inside the periodic element as a superposition of particular solutions, each one of them satisfying exactly the boundary conditions. In the developed method for the two-dimensional gratings the representation of the field within the grating in such way is used. In the present work, the existing modal methods for one-dimensional gratings can be used as the basis for the construction of the modal field distribution functions within two-dimensional gratings. The modal function distributions allow to calculate the overlap integrals of the fields outside the grating with those within the structure. The transition matrix coefficients are formed on the basis of these integrals. The final stage is the calculation of the scattering matrix based on two transition matrices. The equations for the field reconstruction are provided and accompanied by examples of results. Further equations used to calculate the overlap integrals and scattering matrix coefficients are provided

Les propriétés optiques des nanomatériaux, tels que les cristaux photoniques ou les métamatériaux, ont reçu beaucoup d’attention dans les dernières années [1–9]. La dérivation numérique de ces propriétés se révèle pourtant très compliquée, en particulier dans le cas des structures métallo-diélectriques, qui comportent des résonances plasmoniques. C’est pourquoi des méthodes numériques avancées et des modèles semi-analytiques sont nécessaires. Dans cette thèse, nous montrerons que le formalisme de la matrice de diffraction peut satisfaire ces deux aspects. La méthode de la matrice de diffraction est un concept très général en physique. Dans le cas des structures périodiques, on peut dériver la matrice de diffraction à l’aide de la méthode modale de Fourier [10]. Pour la description exacte des géométries planes, nous avons développé la méthode des coordonnées adaptées [11], qui nous donne un nouveau système de coordonnées, dans lequel les interfaces des matériaux sont des surfaces de coordonnées constantes. En combinaison avec la méthode de la résolution spatiale adaptative, la méthode des coordonnées adaptées permet d’améliorer considérablement la convergence de la méthode modale de Fourier, de telle sorte qu’on peut calculer des structures métalliques compliquées très efficacement. Si on utilise la matrice de diffraction, il est non seulement possible de dériver les propriétés optiques en illumination de champ lointain, comme la transmission, la réflexion, l’absorption, et le champ proche, mais aussi de décrire l’émission d’un objet à l’intérieur d’une structure et d’obtenir les résonances optiques d’un sytème. Dans cette thèse, nous présenterons une méthode efficace pour la dérivation des résonances optiques tridimensionnelles, utilisant directement la matrice de diffraction [14]. Si on connaît les résonances d’un système isolé, il est aussi possible d’obtenir une approximation des résonances dans le cas d’un système combiné à l’aide de notre méthode du couplage des résonances [15, 16]. Cette méthode permet de décrire le régime de couplage des champs lointain et proche, y compris le couplage fort avec les résonances Fabry-Perot, pour des systèmes qui se composent d’un empilement de deux structures planes et périodiques. Pour cette raison, on peut étudier efficacement le couplage de ces systèmes. Cette thèse est écrite de manière à donner une idée d’ensemble du formalisme de la matrice de diffraction et de la méthode modale de Fourier. En outre, nous décrivons notre généralisation de ces méthodes et nous montrons la validité de nos approches pour différents exemples. / The optical properties of nanostructures such as photonic crystals and metamaterials have drawn a lot of attention in recent years [1–9]. The numerical derivation of these properties, however, turned out to be quite complicated, especially in the case of metallo-dielectric structures with plasmonic resonances. Hence, advanced numerical methods as well as semi-analytical models are required. In this work, we will show that the scattering matrix formalism can provide both. The scattering matrix approach is a very general concept in physics. In the case of periodic grating structures, the scattering matrix can be derived by the Fourier modal method [10]. For an accurate description of non-trivial planar geometries, we have extended the Fourier modal method by the concept of matched coordinates [11], in which we introduce a new coordinate system that contains the material interfaces as surfaces of constant coordinates. In combination with adaptive spatial resolution [12,13], we can achieve a tremendously improved convergence behavior which allows us to calculate complex metallic shapes efficiently. Using the scattering matrix, it is not only possible to obtain the optical properties for far field incidence, such as transmission, reflection, absorption, and near field distributions, but also to solve the emission from objects inside a structure and to calculate the optical resonances of a system. In this work, we provide an efficient method for the ab initio derivation of three-dimensional optical resonances from the scattering matrix [14]. Knowing the resonances in a single system, it is in addition possible to obtain approximated resonance positions for stacked systems using our method of the resonant mode coupling [15, 16]. The method allows describing both near field and far field regime for stacked two-layer systems, including the strong coupling to Fabry-Perot resonances. Thus, we can study the mutual coupling in such systems efficiently. The work will provide the reader with a basic understanding of the scattering matrix formalism and the Fourier modal method. Furthermore, we will describe in detail our extensions to these methods and show their validity for several examples.