二维光子晶体能带结构温度特性研究

采用有限元法对二维光子晶体的能带特性进行了分析.当光子晶体所受的温度发生变化时,由于构成二维光子晶体介质的热光效应,引起介质的折射率变化,介质的热膨胀效应引起介质厚度发生变化,改变了光子晶体的晶格周期,使得光子晶体的能带结构发生变化.分析了温度变化对二维光子晶体的第一禁带和第二禁带结构特性的影响,各禁带的起始波长、截止...     

三角晶格有耗色散光子晶体的能带结构分析

为探讨有耗色散媒质光子晶体的特性,引入一种计算有耗色散光子晶体能带结构的方法,基于有限元法将能带结构的计算简化为求解关于Block波矢的二次特征值问题,可以有效地得到色散材料光子晶体的能带结构和特征模.分析了三角晶格介质光子晶体能带结构并与现有方法对比,结果表明两种方法在TM模和TE模下得到的能带结构完全相同,验证了该方法的有效性.分析了无耗及有耗色散光子晶体的能带结构,发现无耗光子晶体场强集中于色散媒质与空气的接触面,并呈现出明显的表面等离激元特性,具有对称性,而有耗光子晶体场强减小,表面等离激元变弱,对称性被破坏.相关结果可为有耗色散光子晶体以及表面等离激元的研究提供参考.     

二维光子晶体的特殊色散特性研究

为了研究光场在二维光子晶体中的传播特性,本文应用平面波展开法,得到了二维三角晶格光子晶体的能带结构,在此基础上,运用时域有限差分法,分析了在一定入射角度下,特定频率的光束在光子晶体中的负折射现象,由于应用光子晶体的自准直效应,光束束腰在传播过程中展宽较小。研究了由于能带交折、重叠而产生的特殊色散特性和超棱镜效应,给出了光子晶体内外的磁场强度的分布,得到了极高的角色散度。文章的研究结果对研究基于光子晶体超棱镜效应的波分复用器,具有指导意义。     

二维平板光子晶体的等效负折射率测量EI北大核心CSCD

光子晶体特殊的色散特性能导致负折射现象发生。用波束位移法对二维光子晶体平板的负折射现象进行理论计算和实验测量,得到了入射光经平板光子晶体折射后的二维光场分布。测量结果表明,横电(TE)光在光子晶体中发生负折射,出射光沿出射面产生了反方向的横向位移,由此计算出来的负折射率约为-0.44,而横磁(TM)光没有发生负折射。实验结果与仿真结果吻合较好。     

二维光子晶体负折射现象条件及特性研究

结合光子晶体带隙图和等频率线图分析了二维光子晶体中出现负折射现象的条件,得出了负折射现象出现的频率范围.采用有限时域差分法模拟了光在光子晶体界面和内部的传输行为,验证了以上理论所给出的负折射出现的频段,观察到了明显的负折射现象.比较了不同介质、不同晶格结构光子晶体中不同频率的负折射行为.提出一种新结构的六角型二维三角晶格光子晶体分光镜的模型.     

二维平板光子晶体的等效负折射率测量

光子晶体特殊的色散特性能导致负折射现象发生。用波束位移法对二维光子晶体平板的负折射现象进行理论计算和实验测量,得到了入射光经平板光子晶体折射后的二维光场分布。测量结果表明,横电(TE)光在光子晶体中发生负折射,出射光沿出射面产生了反方向的横向位移,由此计算出来的负折射率约为-0.44,而横磁(TM)光没有发生负折射。实验结果与仿真结果吻合较好。     

温度对超导光子晶体光子能带的影响

建立了二维超导光子晶体的物理模型,在超导二流体模型并考虑原子作非简谐振动情况下,用平面波展开法求出超导光子晶体的光子能带满足的方程.以YBaCuO超导光子晶体为例,探讨温度对它的光子能带结构的影响.结果表明：二维超导光子晶体在低温时具有较宽的禁带,且禁带宽度随温度的升高而变小.     

温度对超导光子晶体光子能带的影响

建立了二维超导光子晶体的物理模型,在超导二流体模型并考虑原子作非简谐振动情况下,用平面波展开法求出超导光子晶体的光子能带满足的方程.以YBaCuO超导光子晶体为例,探讨温度对它的光子能带结构的影响.结果表明:二维超导光子晶体在低温时具有较宽的禁带,且禁带宽度随温度的升高而变小.     

二维正方晶格光子晶体平板的近场成像特性

光子晶体是由两种或两种以卜不同介电函数的材料周期性排列组成的一种人工晶体.由于介电甬数的周期性分布对入射光的调制作用,使得特定频率区域的人射光在光子晶体中传播时的群速度方向和相速度方向相反,因而使得光子晶体平板表现出负折射特性.系统研究了介质柱的形状对二维正方品格光子品体近场成像特性的影响.通过对分别由正方形、三角形、椭网形、长方形等形状介质柱组成的二维正方品格光子晶体平板近场成像特性的理论分析,发现当介质柱形状的对称性降低到一定程度后可以实现光子晶体近场成像的纵向平移.进一步通过对相应等频率曲线形状的分析,明确了光子晶体近场成像是由于自准直效应和负折射效应的共同作用形成的.     

红外区二维光子晶体偏振分光镜透射谱分析

采用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）法模拟了垂直入射红外波段二维光子晶体偏振分光镜的透射谱,从而验证了用平面波展开方法计算的二维光子晶体能带结构.用电子束蒸发方法在光栅基板上制备了Ge/BaF2多层膜,实现了二维光子晶体偏振分光镜.实验初步证明了这种光子晶体在垂直入射时具有偏振特性,分析了实验结果与理论计算之间偏差的产生原因.     

基于六角形晶格的光子晶体零折射率特性及其光学应用研究

运用色散特性分析的方法,在六角形晶格光子晶体能带结构的布里渊区中心找到了狄拉克点,用等效媒质理论验证了在这一点上光子晶体的等效介电常量和等效磁导率同时为零,即存在狄拉克频点,用此六角形晶格光子晶体可以实现零折射率材料.随后运用有限元数值仿真方法,研究了此六角形晶格结构在狄拉克频点及其附近所呈现的零折射率特性.将此种六角形晶格光子晶体经过合理设计用以制作凹透镜,发现可以实现远场的亚波长聚焦.此外在凹透镜的入射面处引入防反射结构可以在一定程度上增强聚焦效果,提高了系统的分辨率.     

Band gaps structure and semi-Dirac point of two-dimensional function photonic crystals

Two-dimensional function photonic crystals, in which the dielectric constants of medium columns are the functions of space coordinates , are proposed and studied numerically. The band gaps structures of the photonic crystals for TE and TM waves are different from the two-dimensional conventional photonic crystals. Some absolute band gaps and semiDirac points are found. When the medium column radius and the function form of the dielectric constant are modulated, the numbers, width, and position of band gaps are changed, and the semi-Dirac point can either occur or disappear. Therefore,the special band gaps structures and semi-Dirac points can be achieved through the modulation on the two-dimensional function photonic crystals. The results will provide a new design method of optical devices based on the two-dimensional function photonic crystals.     

基于磁流体光子晶体的可调谐近似零折射率研究

基于典型水基Fe_3O_4磁流体,建立了工作频率可调的近似零折射率磁流体光子晶体的理论模型.这种近似零折射率材料具有与自由空间阻抗相匹配的优点,更重要的是其工作频率可由外磁场的大小来调节.在满足等效折射率的绝对值小于0.05的条件下,材料的归一化工作频率可由0.716变化到0.750.     

Two-dimensional function photonic crystals

In this paper, we have studied two-dimensional function photonic crystals, in which the dielectric constants of medium columns are the functions of space coordinates , that can become true easily by electro-optical effect and optical kerr effect. We calculated the band gap structures of TE and TM waves, and found the TE (TM) wave band gaps of function photonic crystals are wider (narrower) than the conventional photonic crystals. For the two-dimensional function photonic crystals, when the dielectric constant functions change, the band gaps numbers, width and position should be changed, and the band gap structures of two-dimensional function photonic crystals can be adjusted flexibly, the needed band gap structures can be designed by the two-dimensional function photonic crystals, and it can be of help to design optical devices.     

二维复式晶格完全带隙光子晶体缺陷频率的分析

提出了一种具有完全带隙的二维复式晶格光子晶体,该晶体是在二维正方形格子中,旋转截面为正方形的柱子,同时在每个原胞中心引入圆形截面的柱子而形成的,并在其中引入点缺陷。运用平面波展开法并结合超晶胞理论分析此缺陷态光子晶体的频率特性。仿真结果表明,通过调节缺陷的尺寸、角度等结构参量,可以改变缺陷态频率的位置,使TE和TM模缺陷态频率一致,TE模和TM模同时谐振,处于缺陷态频率的入射光就能够完全耦合进点缺陷,具有较高的耦合效率。这种结构的复式晶格完全带隙光子晶体为制作完全带隙光子晶体谐振腔提供了理论基础。     

Applications of the finite difference mode solution method to photonic crystal structures

The finite difference waveguide mode solution method, which has been popularly employed in the study of waveguide modes on various optical and dielectric waveguides, is utilized to calculate the modal characteristics of photonic crystal fibers (PCFs) and planar photonic crystal waveguides and the band diagrams of two-dimensional photonic crystals. Vector guided modes on both PCFs based on the total internal reflection guiding mechanism ('holey fibers') and those resulting from photonic band gap effect are accurately computed, with their effective indexes and field distributions compared with other methods. Calculated dispersion of a single-core holey fiber and coupled-power behavior of a two-core holey fiber are found to agree with measured results. For applications to band diagram calculation and planar photonic crystal waveguide analysis, the finite difference scheme is modified simply by imposing suitable periodic boundary condition. Numerical results for air-column crystals and dielectric-rod crystals are both found to agree well with calculations using other methods.     

Photonic band gap of one-dimensional periodic structure containing dispersive left-handed metamaterials

Band structures of one-dimensional(1D)photonic crystals(PCs)containing dispersive left-handed metamaterials are studied theoretically.The results show that the structure possesses a type of photonic band gap originating from total internal reflection(TIR).In contrast to photonic band gaps corresponding to zero average refractive index and zero phase.the TIR gap exhibits sharp angular effect and has no polarization effect.It should also be noted that band structures of transverse electric(TE) and transverse magnetic(TM) mode waves are exactly the same in the PCs we studied.     

光子晶体缺陷结构的特性

基于平面波展开法,设计了二维正方晶格和三角晶格光子晶体缺陷结构,数值模拟了TE模、TM模式的光子晶体禁带特性,计算了二维三角晶格光子晶体缺陷结构的模式分布。结果表明,光子晶体缺陷结构能够形成很好的禁带特性和模式结构,研究结论为光子晶体波导器件的开发提供参考。     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

纵模对光子晶体中类狄拉克点传输特性的影响

本文通过数值仿真分析了无序正方晶格光子晶体中类狄拉克点的光子传输特性. 结构中的无序是通过随机移动氧化铝介质柱的位置来实现. 研究发现, 由于纵模被激发出来, 在类狄拉克点及其附近无序对结构透射率的影响是不同的. 在类狄拉克点, 由于纵模的干扰, 透射率随着无序的增加而减小, 与通带的行为类似. 在不受纵模干扰的类狄拉克点附近, 透射率几乎不受无序的影响, 这主要是由于结构可以等效为近零折射率材料, 等效的波长非常大. 本文的研究结果有助于人们进一步理解光学纵模和零折射率材料.