光子晶体的原理与应用

光子晶体是一种在微米、亚微米等光波长量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，它使某些频率范围内的光子态密度大大降低．甚至完全形成光子禁带．本文介绍了光子晶体的原理、制备及应用．     

一维和二维系统中电子禁带与光子禁带的数学等价特性

论证了在不针对特殊的结构和未做任何近似的情况下,一维和二维系统中的电子的Schrdinger方程和沿垂直方向传播的S极化光子的Maxwell方程具有完全相同的数学形式,即二者在数学上是完全等价的,这自然解释了到目前为止发现的存在于电子晶体的电子禁带和光子晶体的光子禁带之间的许多相似性.这种等价性还表明,在电子晶体中出现的许多现象可以推广到光子晶体中;研究电子晶体的理论和方法也可以应用于光子晶体的研究中去.     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.     

光子晶体液体浓度传感器

为了有效地检测混合液体的浓度,运用平面波展开法与光子晶体禁带理论,研究了光子晶体禁带宽度和混合液体浓度的对应关系。以砷化镓(GaAs)为背景材料的三角格子空气孔二维光子晶体内分别填充不同浓度的水醋酸、水甲醇混合液体,讨论了混合液体浓度与介电常数对二维光子晶体禁带宽度的影响。模拟结果表明,在温度保持不变的情况下,浓度在0～0.60mol/kg之间变化时二维光子晶体TE模没出现光子晶体禁带而TM模出现的光子晶体禁带宽度随着混合液体浓度和介电常数的增大而逐渐变窄且向高频区域移动。这一结果为生物化学中混合液体浓度的检测方面提供很好的参考依据。     

紫外区全角度光子晶体反射镜

根据角域叠加原理,在石英玻璃基板上用全介质膜系实现了紫外区域全角度一维光子晶体反射镜的设计。采用两个不存在全角度反射带的一维光子晶体在角域上叠加,通过传输矩阵方法,从理论上计算合成光子存在全角度禁带,禁带波长范围328．95～352．11nm,相对带宽为6．80％。实验上采用HfO2和SiO2两种薄膜材料,用电子束蒸发的方法在石英玻璃基板上制备合成光子晶体。若透射率在1％以下为光子晶体禁带,则禁带波长范围从331．2～350．4nm,相对带宽5．63％。从而证明了角域叠加设计的正确性。     

利用干涉光刻和双光子聚合技术制造带有功能缺陷的二维光子晶体

光子晶体是一种介电常数呈周期性变化的介质材料,它由介电常数不同的两种材料周期排列组成,因其周期性而产生了光子禁带,为了产生比较大的光子禁带宽度,这两种材料的介电常数比一般大于2,光子晶体可以使某一频段上的光波无法通过,继而达到滤波的目的.设计了在硅基底上制作六边形孔阵的二维光子晶体的方法,这个结构具有特殊的光学特性；经...     

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.     

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。     

非线性一维光子晶体特性的动态调制

对含有非线性材料的一维光子晶体带隙结构进行了数值计算.在外部入射光强调制下,非线性缺陷层折射率的改变会引起禁带内缺陷模的移动,而光子晶体禁带位置与宽度基本保持不变；若基本周期层取非线性材料,随入射光强的改变,禁带内部缺陷模发生相同的移动,同时,禁带位置和禁带宽度也会发生移动.利用这一性质可以对光子晶体进行动态外部调制,在此基础上对非线性一维光子晶体动态滤波选频进行了实验设计.     

窄禁带光子晶体能态密度的研究

利用平面波展开法研究了窄禁带光子晶体材料的能态密度分布情况,得到了窄禁带材料构成的三角晶格光子晶体能态密度随着介电常数差值的增大而增大,并且分析了氮化镓在f=0.3时,能态密度分布最小,出现最大光子带隙。研究结果为窄禁带光子晶体器件的构造提供理论依据。     

镧系氧化物光子晶体自组装与自发辐射调制

光子晶体是介电常数(折射率)随光波长大小周期性巨大变化的人工晶体。光子晶体的诞生使人类操控光子由梦想成为现实。光子晶体结构对置于光子晶体中的荧光客体自发辐射速率和荧光强度具有重要的调制作用。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似,光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时,由于存在布拉格散射而受到调制,电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。本文将在综述这一领域国际上的重要研究进展基础上,重点介绍本课题组在镧系氧化物三维晶体的自组装与光子带隙对稀土离子自发辐射调制方面的研究成果。     

单轴应力对一维镜像光子晶体光子局域态透射峰的影响

利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维光子晶体中的光子局域态随单轴应力发生变化的特性. 对于镜像异质三周期光子晶体, 由于其镜像结构, 破坏了光子晶体的有序性, 产生了一个缺陷态, 使其在较宽的光子禁带中心有一个光子局域态透射峰. 研究表明: 当对镜像异质三周期光子晶体施加单轴应力时, 其中的光子局域态透射峰会随着应力的改变而发生剧烈的变化. 当外部微弱的机械应力施加到光子晶体上时, 对光子晶体形成一个拉伸应变, 拉伸应变引起光子晶体结构的变化, 进而大幅度影响光子局域态透射峰的透射率.结果表明: 透射峰的透射率明显受单轴应力的影响. 这些特性可为用此结构的光子晶体设计超高灵敏度压力传感器提供理论参考. 关键词： 光子晶体 单轴应力 光子局域态 传输矩阵     

太赫兹波段三角晶格二维光子晶体的传输特性

用平面波展开法研究了太赫兹(THz)波在二维三角晶格光子晶体中的传输特性。数值计算了以硅为背景的空气圆柱构成的二维三角晶格光子晶体的能带结构和态密度,计算表明在介质圆柱半径r=0.47a(a为空气介质柱的晶格常数)出现最大完全光子带隙,带隙宽度为0.070 1 THz;当r=0.49a和r=0.45a时,E偏振和H偏振分别出现最大光子带隙,带隙宽度分别0.102 2,0.192 3 THz。光子晶体能态密度的分布也表明了存在光子带隙的范围。研究结果为THz器件的开发提供了理论依据。     

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。     

三角形复式晶格的光子带结构研究

设计了一种三角形复式晶格结构的光子晶体，在该类晶体中，电介质圆柱在空气中的排列存在Ｅ偏振和Ｈ偏振的光子带隙重叠区，称之为绝对光子带隙；而空气圆孔在电介质中的排列时，虽然Ｅ偏振和Ｈ偏振均分别存在光子带隙，但不存在绝对光子带隙。同时利用晶体的光子带结构研究了有效长波介电常数，所得结果与静电理论吻合。     

表面为二维光子晶体结构的AlGaInP系发光二极管的研究

近年来,GaN基光子晶体发光二极管(light emitting diode,LED)的研究已经取得了一定的进展,利用光子晶体的光子带隙效应和光栅衍射原理,在LED上制作光子晶体结构将会提高出光效率.本文为了提高AlGaInP系LED的光提取效率,分析了常规LED光提取效率受到限制的原因,将光子晶体结构引入了AlGaInP系LED的器件结构设计,通过理论分析与实验验证,结果显示:光子晶体结构对于提高AlGaInP系LED的光提取效率同样起到了明显的效果,引入光子晶体后,LED的输出光强比常规结构LED平均 关键词： AlGaInP系LED 光子晶体 光提取效率 光强     

二维非正交坐标斜方格金属光子带隙结构

金属光子带隙结构在高能加速器、微波真空电子器件和太赫兹波源等方面具有重要的应用前景.基于实空间传输矩阵理论，详细研究了非正交坐标系下二维斜方格金属光子带隙结构，给出了计算横电模、横磁模完全带隙结构的一般公式，并分析了填充系数、任意斜角及金属柱横截面对带隙结构的影响.计算结果在退化为正方格情况下时，与其他方法的计算结果取得很好的一致. 关键词： 光子晶体 金属光子带隙 传输矩阵法 微波真空电子器件     

非晶光子晶体中的光子局域化

利用多重散射方法计算并研究了二维光子晶体随着无序度变化的光子局域化.通过控制方形单元随机旋转角度以控制光子晶体的无序度.研究发现，随着无序度的增加光子通带的透过率逐渐降低，而光子禁带中的透过率逐渐上升，即无序导致的局域化逐渐由光子带边向光子禁带中心和光子通带的中心扩展.而且光子通带中的平均透过率随无序度的增加呈e指数下降. 关键词： 非晶 光子晶体 无序 光子局域     

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。