Modal propagation characteristics of EM waves in ternary one-dimensional plasma photonic crystals

We have theoretically studied the modal dispersion characteristics, group velocity, and effective group as well as phase index of refraction of ternary one-dimensional (1D) plasma photonic band gap (PBG) structure having periodic multilayers of three different materials in one unit cell. The dispersion characteristics related for such structure is derived by solving Maxwell wave equation based on principle of Kronig-Penny model. From the computed results we observe that the dispersion characteristics of such structure also show the frequency gap and cutoffs as found in (binary) one-dimensional plasma photonic crystal. The frequency gap is shown to become larger with the increase of plasma frequency as well as plasma width. It is seen that such structure provide additional degree of freedom to control dispersion characteristic, group velocity and effective index of refraction compared to conventional one-dimensional plasma photonic crystal.     

基于像素法用模拟退火-遗传算法搜索一维宽带隙光子晶体

将一维光子晶体用像素填充法进行二进制编码,把模拟退火、遗传算法、模拟退火-遗传混合算法与传输矩阵法结合,搜索、计算了一维光子晶体结构和能带,找到了全方位相对禁带宽度高达43.53%的四层结构和43.76%的两层结构,并给出了一维四层结构光子晶体的能带图及其4个原胞的反射率和透射率的频谱图;发现一维两层结构光子晶体的全方位禁带宽度对每层厚度的变化不敏感,但随着两种介质折射率差的增加而增大.     

Zero permittivity band characteristics in one-dimensional plasma dielectric photonic crystal

We consider the oblique propagation of electromagnetic waves in one-dimensional plasma dielectric photonic crystals, the superlattice structure consisting of alternating plasma and dielectric materials using transfer matrix method. Our results show that photonic band gaps for all polarizations can be obtained in one-dimensional plasma dielectric photonic crystals. These structures can exhibit a new type of band or gap, for the incidence angles other than normal incidence, near frequencies where the electric permittivity of the plasma layer changes sign. This new band or gap arises, from the dispersive properties of the plasma layer, only for TM polarized waves and its width increases with the increasing angle of incidence. This differential behaviour under polarization can be utilized in the design of an efficient polarization splitter. The band characteristic is affected by the plasma width, the plasma density, dielectric width, the dielectric constant of the dielectric medium and angle of incidence.     

电磁波在周期介质中的传播及二维光子晶体的光子带结构

光子晶体是光学与凝聚态物理交叉的新领域,也是近年来应用物理学的一个重要研究领域,它是一种由介电常数高的(低的)介质在另一种介电常数低的(高的)背景介质中周期排列所组成的人造多维周期结构材料,能够产生光子带隙。频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播,因而具有能够抑制原子、分子的自发辐射等诱人的光电子学特性,在基础研究和实际应用上都有着巨大的潜力。本文在这一领域里进行了富有成效的研究,获得了很好的结果。主要有:(1)利用平面波展开方法来计算二维光子晶体的带隙结构。首先,我们设计正方晶胞的二维光子晶体模型。设x₃方向为介质柱的轴方向,二维周期结构在x₁-x₂平面上。晶胞的晶格常数为a,半径为r,介质柱和空气柱的介电常数分别为ε_a=17和ε_b=1,a>2r。设计的核心思想是通过降低光子晶体结构的对称性,消除光子能带在晶体的布里渊区高对称点上的本征简并。(2)对于二维光子晶体的电磁波理论及周期介质中的Bloch波解做了详细的推导,给出了光子晶体中禁带存在的理论依据。同时以正方格子晶格的二维光子晶体为例,验证了电介质在空气圆孔中的排列存在E偏振和H偏振的光子带隙重叠区,称为绝对光子带隙。对于二维的光子晶体,两种本征偏振模式的光子能带结构可以独立地调节,以实现两者的光子带隙的最优重叠, 从而大大提高了二维光子晶体的完全带隙宽度。     

电子密度对等离子体光子晶体禁带特性的影响

从Maxwell方程出发,采用类似于量子力学Kronig-Penney模型求解周期势的方法,结合双水电极介质阻挡放电的实验结果,研究了电子密度ne对一维等离子体光子晶体禁带特性的影响。研究发现:电子密度对等离子体光子晶体光子禁带的位置和宽度均有重要的影响;等离子体光子晶体的禁带宽度随电子密度的增加而增大,增长速率为电子密度的函数;等离子体光子晶体的截止频率、光子禁带边缘频率随电子密度的增大而增大。给出了当等离子体光子晶体具有显著禁带宽度时的电子密度的理论临界值。     

一维光子晶体禁带的展宽

作为一维光子晶体的应用基础，一维光子晶体的禁带是研究的重点。通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性，讨论了影响带宽的因素。说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法，提出了在角域范围内对光子晶体进行叠加的方法，为设计制造一维光子晶体提供了一种行之有效的方法。分别对2个、3个和4个晶体的叠加进行了分析，最后计算了所设计的合成晶体的反射率。其中4个晶体的叠加，相对带宽达到57．52％，极大地展宽了一维光子晶体的禁带，从而证明利用角域的叠加来展宽一维光子晶体的禁带是非常有效的。     

二维光子晶体线缺陷结构的光谱辐射特性

光子晶体的禁带特性是该新兴材料的最根本特征。本文运用平面波展开法(PWE)计算了一种正方晶格Si光子晶体材料的禁带特性,并基于该材料设计出一种红外波段的线缺陷光子晶体波导结构。运用时域有限差分法(FDTD)研究了线缺陷二维光子晶体波导宽度对通频带、电场强度及透射能量的影响,研究结果为二维光子晶体波导器件的开发和利用提供了理论支撑。     

基于光子晶体塔姆态的带隙分裂

将由两个一维介质层光子晶体组成的异质结拓展为超晶格结构,分析了该结构的能带和透射谱。该超晶格结构可以产生多个界面隧穿态,它们之间的耦合可产生新的通带。研究结果表明,该通带的宽度随光子晶体的周期数变化,而通带的中心位置保持不变。当光子晶体周期数取特定值时,这个通带将发生分裂,在带间产生零相位带隙或π相位带隙。     

光子晶体压力传感器的基本原理

通过研究一维光子晶体受压力后其光带隙性能的变化，提出了光子晶体压力传感器的原理.计算表明，压力的大小与禁带起始波长、截止波长和禁带宽之间呈简单的线性对应关系.这就提供了通过测量光带隙性能而感知外载荷或者通过施加载荷而调制光带隙性能的可能.由于光子晶体的结构周期和光波波长为一个数量级，也就有可能制造出一系列精巧的压力、温度传感器或者其他精密仪器. 关键词： 压力传感器 光子晶体 光带隙性能     

空气环型二维光子晶体完全带隙特性研究

采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙. 关键词： 空气环型二维光子晶体 完全带隙 平面波展开法     

Spontaneous transition of one-dimensional plasma photonic crystal’s orientation in a dielectric barrier discharge

A novel one-dimensional plasma photonic crystal whose crystal orientation can change spontaneously is demonstrated using a dielectric barrier discharge with two liquid electrodes. The orientation of the plasma photonic crystal will vary from transverse to longitudinal or vary from longitudinal to transverse and then revert to longitudinal by self-adjustment, while the experimental conditions are kept fixed. The dispersion relation of these plasma photonic crystals are calculated, and the changes of the photonic band diagrams during the orientation transition are studied.     

异质三周期光子晶体的光子带隙特性

利用传输矩阵法研究了由TiO₂和SiO₂两种材料构成的异质三周期一维光子晶体的传光特性,发现该结构能在波长为200~ 2 000 nm的范围内形成7处比较明显的光子带隙,并且波长越大,带隙的宽度越大。重点研究了这种结构的光子晶体的透射谱线与入射角度、介质层数及介质层厚度的关系,发现该结构形成的光子带隙的大小和位置对介质层的循环周期数不敏感,但对入射角度和介质层的厚度很敏感。     

紫外线波段一维Ag/MgF_2光子特性的理论研究

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型,以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响,并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明,与其他金属光子晶体的研究结果相比,该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙,属于不完全带隙的一维光子晶体,适用于制作紫外线波段的光学反射镜。     

混合准周期异质结构的带隙补偿与展宽

基于一维光子晶体异质结构的多帯隙交叠补偿思想,提出了一种新颖的混合准周期级联结构,用于扩大全方位光子带隙.该全方位反射器结构由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成,研究表明,相比单种准周期结构,其全方位光子带隙宽度有显著提高.系统研究了结构参数(如周期数、阶数、介质折射率和厚度)对该结构光子带隙的影响,通过与周期结构带隙特性的比较,分析了准周期结构易于实现多带隙交叠的原因,为更复杂带隙结构的补偿和展宽奠定了设计基础.     

基于横向磁光效应磁化等离子体光子晶体的光子带隙特性

通过外加与电磁波传播方向垂直的磁场来调控等离子体光子晶体的光子带隙结构。采用时域有限差分方法数值分析了由本征层为等离子体层和其他电介质材料层交替堆叠而成的磁化等离子体光子晶体的光子带隙结构和频谱特性。数值结果表明,光子晶体中等离子体的介电常数随着外磁场大小的变化而改变,从而使磁化等离子体光子晶体的带隙特性在一定的频率范围相应地得到调节。     

基于太极形介质柱六角光子晶体禁带特性研究

提出了一种新型的非对称性散射体的二维六角晶格光子晶体结构–-太极形介质柱光子晶体. 利用平面波展开法从理论研究这种光子晶体结构的能带特性以及结构参数对完全禁带的影响. 研究表明:散射体对称性的打破, TE模和TM模能带宽度和数目都会有所增加, 有益于获得更宽的完全禁带以及更多条完全禁带.通过参数优化, 发现在ε = 17, R=0.38 μm, r=0.36R, θ = 0° 时, 获得最大完全带隙宽度0.0541(ωa/2πc); 在ε = 16, R=0.44, r=0.2R, θ = 0°时, 光子晶体完全带隙数目最多达到8条. 关键词： 光子晶体 禁带 平面波展开     

基于空气环结构的大带隙二维光子晶体的设计

用平面波展开法研究了内介质柱截面为长方形的三角晶格空气环型光子晶体的完全带隙特性。通过调节内介质柱的大小、介电常数、旋转角度以及空气环外半径对完全带隙的影响,找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数。经优化后得到禁带宽度Δω=0.082(2πca-1)(其中a为晶格常数,c为光速),中心频率ω0=0.401(2πca-1),完全带隙宽度与中心频率的比值达到了20.4%,该结果比圆形内介质柱截面空气环结构的完全带隙大,比普通的空气孔结构的完全带隙增大了37%。     

Broad Stopband Characteristic of Dielectric Chiral Photonic Crystals

In this paper, a novel chiral photonic crystal structure is presented. The formula of reflection coefficient of multi-layer chiral media is applied to dielectric-chiral photonic crystal structure, which is composed of thin chiral layers sandwiched by conventional media. To compare with previous literature, we consider the dielectric structure with alternate glass and GaAs layers. The power reflectance as a function of wavelength for this photonic crystal structure has been calculated. The results are in good agreement with that of Reference. However, our method is simpler. From these graphs, it is found that 100% reflectance is only in finite wavelength ranges, and reflection bandwidth is also small for conventional photonic crystal structure. For chiral photonic crystal, the results show that the chiral photonic band gap (PBG) structure gives nearly 100% reflections in the near-infrared region in addition to some parts of the visible region of the wavelengths. Therefore, it can be used as a broadband reflector and filter.     

外磁场与温度对低温超导光子晶体低频禁带特性的影响

文中用传输矩阵法(TMM)分析了TM波垂直入时,超导光子晶体的低频禁带特性,并讨论了外磁场与温度对禁带的影响.分析结果表明:超导光子晶体存在频率从0开始的低频禁带;当没有外磁场作用时,由于超导中正常态电子的影响,低频禁带的截止频率与温度无关;有外磁场作用时,温度才对截止频率具有可调性.外加恒定磁场时,低频禁带的截止频率随温度升高而减小;而在正常态电子的作用下,温度对处在超导态超导光子晶体禁带截止频率的调节范围相对忽略正常态电子情况下减小.恒温下,通过调节外磁场来控制带隙时,正常态电子的贡献很小可忽略不计;外磁场强度增大禁带截止频率减小.当超导体完全处于正常态时,低频禁带消失.     

Spontaneous transition of one-dimensional plasma photonic crystal's orientation in dielectric barrier discharge

A novel one-dimensional plasma photonic crystal whose crystal orientation can change spontaneously is demonstrated by using a dielectric barrier discharge with two liquid electrodes. The orientation of the plasma photonic crystal will vary from transverse to longitudinal or vary from longitudinal to transverse and then revert to longitudinal by self-adjustment, while the experimental conditions are kept fixed. The dispersion relations of these plasma photonic crystals are calculated, and the changes of photonic band diagrams during the orientation transition are studied.