微波段左手材料光子晶体带隙特性研究

利用电磁理论和传输矩阵法仿真得到了在0.3~6.935GHz微波波段具有负折射率的左手材料,并分别对右手材料和左手材料构成的光子晶体带隙特点进行了分析.结果表明:右手材料光子晶体结构的带隙对周期数变化不敏感,而对层厚度比、入射角度变化敏感;左手材料光子晶体带隙随层厚度比的增大,带隙位置出现蓝移,随着入射角度的增大,TM波主带隙的上带边会出现红移,而TE波带隙特性对入射角度变化不敏感.研究结果对微波技术中全方位反射器等器件的设计有一定的参考意义.     

一维光子晶体全反射隧穿的色散特性

利用介质材料的色散关系和特征矩阵法研究了一维光子晶体中TE波和TM波的全反射隧穿效应随色散的变化特征.TE波和TM波全反射隧穿导带的频率中心随色散强度的增加而降低,频率宽度随色散强度的增加而增大.TE波和TM波的全反射隧穿导带的频率中心随入射角的增加而升高,频率宽度随入射角的增加而减小.这些研究结果拓宽了对一维光子晶体中TE波和TM波波全反射隧穿效应的认识.     

一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

半无限一维光子晶体的反射率

本文给出了入射到半无限光子晶体上的波的反射系数计算公式.对由普通材料、双负材料和单负材料组成的一维半无限光子晶体中光的反射进行了数值模拟计算.发现半无限光子晶体的反射率曲线与有限光子晶体相比变得平滑,是有限光子晶体迅速振荡的反射率平均的结果.TE波的反射取决于介电常数的差异,而TM波的反射取决于磁导率的差异.单负-单负材料中的场是倏逝场,存在一个通带使场无位相延迟的传播.当满足eB=-εA,μB=-μA和dA=dB条件时反射率变为零.     

一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质(英文)

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

含左手材料异质结构光子晶体的零平均折射率带隙的展宽

运用光学传输矩阵理论,研究了含左手材料一维二元光子晶体的禁带特性.提出了含左手材料的光子晶体异质结构中零平均折射率带隙展宽的方法.根据此方法设计的异质结构的光子晶体形成的零平均折射率带隙,与一维光子晶体零平均折射率带隙相比,零平均折射率带隙的宽度和相对带隙宽度可以得到显著的拓宽.而且它的零平均折射率带隙的边缘与TM波和TE波相关.这种特性在微型谐振腔、天线基片、同轴波导等方面都具有潜在的应用.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

含负折射率材料的一维“啁啾”光子晶体的透射谱

将"啁啾"函数引入到含负折射率材料的一维光子晶体中,利用转移矩阵法对这种光子晶体的透射谱进行了研究。通过计算模拟了这种光子晶体的透射谱随入射角、频率的变化关系,并计算了这种晶体的复有效折射率的表达式。结果表明,当"啁啾"函数对厚度调制不大时,该晶体具有很宽的反射带,并且反射带对入射角度反应不敏感,其原因是由于其复有效折射率的实部几乎为0,而虚部较大。利用这一特性可以用来制作高品质的宽带全方位反射镜。     

一维光子晶体缺陷模偏振特性的研究

利用一维光子晶体的透射率公式,计算出一维光子晶体掺杂后TE波和TM波缺陷模的波长随入射角的响应曲线、缺陷模透射峰随入射角的响应曲线、缺陷模透射峰随入射波长的响应曲线.研究发现,TE波和TM波的缺陷模透射峰均随入射角的增加而向短波方向移动；TE波缺陷模透射峰的半高宽度(FWHM)和峰值随入射角的增加而减小,而TM波缺陷模透射峰的半高宽度(FWHM)和峰值确随入射角的增加而增加；对TM波其波长为λ0的缺陷模也存在明显的“广义布儒斯特角”现象, TE波的缺陷模不存在“广义布儒斯特角”现象.     

圆柱形光子晶体中电磁波的模式和带隙

利用电磁波在一维圆柱光子晶体中径向受限的条件,推导出电磁波在一维圆柱光子晶体中各个模式满足的关系式。研究了各个模式的特征。计算出TE波和TM波各模式的禁带随模式量子数、圆柱半径以及入射角的变化规律。得出了一些不同于一维非受限光子晶体带隙的新结构。     

Enhanced third harmonic reflection and diffraction in Silicon on Insulator photonic waveguides

Enhanced third harmonic (TH) generation from Silicon-On-Insulator (SOI) planar waveguides as well as SOI photonic crystal (PhC) slabs is studied in different angular configurations, both in the visible and infrared energy ranges. In the SOI planar waveguide, the multilayer structure causes the optical properties such as TH reflection to be different from those of bulk silicon samples. This behavior is well reproduced by calculations of TH reflectance.Measurements of third-harmonic reflection and diffraction from one-dimensional PhC slabs etched in the SOI waveguide are also reported. The angular positions of TH peaks at various diffraction orders agree well with those calculated from a nonlinear grating equation. Both reflection and diffraction processes contribute to enhanced TH generation efficiency in the PhC slabs.TH reflectance measurements performed on PhC slabs in the near infrared show a resonant interaction between the incident beam and the photonic structure, dependent on the angle of incidence. This leads to a nonlinear conversion efficiency which is strongly enhanced with respect to that of the SOI waveguide, due to the excitation of strong local fields associated with the presence of photonic modes in the PhC slab.     

低能氢粒子沿不同角度轰击钨(001)表面的反射概率及入射深度分布的分子动力学研究

采用分子动力学方法对低能(0.5–50.0 eV)氢粒子 与钨表面的相互作用进行了模拟研究.研究发现, 当氢粒子垂直入射, 能量为0.5–20.0 eV时, 粒子滞留在钨内部的概率急速增加, 在整个模拟能量区间内, 发生反射过程的概率逐渐减少, 但反射过程始终占主导. 改变粒子的入射角度, 在某些能量范围内滞留概率虽有所增加, 但氢原子被反射现象仍然占主导. 通过进一步观察低能氢粒子在钨块内的入射深度和能量变化, 计算出其在钨块中的能量沉积分布. 这些结果对理解聚变反应中 钨材料的选用优势以及氢或氢同位素滞留有重大意义. 此外, 在所研究的能量范围内, 分子动力学方法的模拟结果与以二体理论为基础的TRIM程序的模拟结果之间有明显差异, 说明传统的二体碰撞理论不能很好地描述低能碰撞问题. 关键词： 面向等离子体材料 分子动力学方法 钨 氢     

Dual-channel tunable near-infrared absorption enhancement with graphene induced by coupled modes of topological interface states

The dual-channel nearly perfect absorption is realized by the coupled modes of topological interface states (TIS) in the near-infrared range. An all-dielectric layered heterostructure composed of photonic crystals (PhC)/graphene/PhC/graphene/PhC on GaAs substrate is proposed to excite the TIS at the interface of adjacent PhC with opposite topological properties. Based on finite element method (FEM) and transfer matrix method (TMM), the dual-channel absorption can be modulated by the periodic number of middle PhC, Fermi level of graphene, and angle of incident light (TE and TM polarizations). Especially, by fine-tuning the Fermi level of graphene around 0.4 eV, the absorption of both channels can be switched rapidly and synchronously. This design is hopefully integrated into silicon-based chips to control light.     

Tunable phase compensator based on one-dimensional photonic crystals with single-negative materials

The reflection phase difference between TE and TM waves in one-dimensional photonic crystals composed of single-negative (SNG) (permittivity- or permeability-negative) materials is investigated by transfer matrix method. Within two omni-directional gaps the reflection phase difference changes smoothly and increases with the increasing of the incident angle. In the center of the second omni-directional gap the reflection phase difference remains almost unchanged in a broad frequency band. Especially, at both the edges of the second omni-directional gap the reflection phase difference keeps zero in spite of the change of incident angle. Based on these properties, a continuously tunable phase compensators and an omni-directionally synchronous reflector for TE and TM waves can be designed. The working frequencies for the phase compensators and synchronous reflector are tunable.     

单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的共振模

通过传输矩阵方法, 计算模拟了两种单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的透射谱. 研究发现: 由于双量子阱结构双阱之间的相互耦合作用, 共振模发生双重劈裂, 共振峰之间的距离可以通过调节双阱之间的耦合强度控制, 共振模的品质因子可以通过调节外部障碍光子晶体的周期数控制. 并且, 共振模受入射角和光偏振模式的影响都比较小, 适合全方向滤波. 当考虑两种单负材料不同损耗的影响时, 研究结果表明, 电损耗对低频处的共振模影响大, 而磁损耗对高频和低频处的共振模影响都比较大.     

Electromagnetic scattering from a perfect electromagnetic conductor circular cylinder coated with a metamaterial having negative permittivity and/or permeability

Electromagnetic scattering of an incident uniform plane wave from a perfect electromagnetic conductor (PEMC) circular cylinder, coated with a metamaterial is investigated theoretically. In the analysis the coating layer may be double-positive (DPS), double-negative (DNG), epsilon-negative (ENG) or mu-negative (MNG). It is assumed that both PEMC cylinder and the coating layer are infinite along the cylinder axis. Both parallel and perpendicular polarization cases are considered for the analysis. Comparison between the monostatic and bistatic echo widths, of a PEMC cylinder coated with metamaterial and coated with ordinary dielectric material (DPS), is presented. The numerical results are compared with the published literature, and comparison is found to be in good agreement.     

高斯光束在单轴挛晶界面上的反射与折射

给出了高斯光束入射到挛晶结构的电磁场分布,解出了反射系数和透射系数。根据晶体的色散关系解出了入射角、反射角和折射角关于晶体参量及波矢的方程,并根据角度方程给出了在一定参量下反射角和折射角关于入射角变化的关系图,以图示的方法显示了光束在界面处的异常性质。根据角度关系和反射、透射系数分析了异常光束在界面处能够出现二性折射、负反射、全透射和全反射等光束的奇特性质;分析了出现这些奇特性质对晶体参量和入射角所要求的条件。根据时间平均的能流密度公式,用数值模拟的方法给出了二性折射、全透射和全反射在特定参量下的高斯光束在挛晶内的能流密度分布图及当发生全反射时不同宽度光束在界面处关于入射角的古斯-亨兴(Goos-Hanchen)位移。     

Analysis of integrated corner mirrors by using a wide-angle beam propagation method

An integrated corner mirror is analyzed by using a two-dimensional (2D) wide-angle beam propagation method (WA-BPM) combining with an effective index method (EIM). Both the reflection efficiency and the phase variation due to a total internal reflection (TIR) for the TE and TM modes are calculated. A non-perfect fabrication (such as a tilted or displaced mirror) introduces an additional reflection loss and some errors of the phase variation. The additional reflection loss due to a tilted mirror increases rapidly as the tilted angle increases and becomes more sensitive to the tilted angle when the confinement of the waveguide becomes weaker. It is shown that the displacement of a mirror influences the phase variation greatly and the difference of the phase variation between the TE and TM modes is not sensitive to the displacement of the mirror.     

基于维格纳方程的电子的古斯-汉欣位移

通过求解电子的维格纳方程研究二维电子气中电子的输运性质。我们发现电子在倾斜入射到势垒界面并反射时, 出现与光波类似的古斯-汉欣位移。通过维格纳方程可以得到电子的瞬态演化, 不仅可以计算古斯-汉欣位移还能研究电子在势垒内部的运动轨迹以及出现稳定古斯-汉欣位移的时间。与稳定相位法得到的古斯-汉欣位移对比发现, 考虑古斯-汉欣位移的界面反射较几何光学反射在时间上有一定迟缓, 这种迟缓与入射角无关, 但会随着势垒宽度的增加而增加; 电子的古斯-汉欣位移与势垒厚度无关, 随着入射角或入射能量的增大而增大。基于此, 我们提出一种电子分束器模型, 向输入端注入初始动能不同的高斯波包, 当电子能量低于0.01 eV时, 约85%的电子运动至第二输出端; 而当电子能量高于0.07 eV时, 约85%的电子运动至第一输出端。