二维光子晶体点群对称对不可约布里渊区的影响

采用平面波展开法,研究了二维光子晶体点群对称对不可约布里渊区的影响。在单柱体二维光子晶体单胞中增加一个柱体,设计成不同点群对称操作数的对称结构,计算了最低5条能带的本征频率值在第一布里渊区的分布图。结果表明:在计算二维光子晶体的能带结构时,如果光子晶体的点群对称操作数为n,所取的不可约布里渊区应为整个第一布里渊区的1/n。     

超元胞方法研究平移群对称性对声子带隙的影响

采用基于超元胞的平面波展开法，计算了由水银(水)正四棱柱体按正方格子排列于水(水银)基体中所组成的两种声子晶体的能带结构.通过改变两相邻的柱体底面边长之比来改变声子晶体的平移群对称性.结果发现，改变相邻柱体的底面边长之比，具有很好的调节声学带隙的作用.研究表明，声子晶体的平移群对称性对于其带隙的形成具有重要影响,同时还表明,超元胞方法也是研究声子晶体平移群对称性影响声子带隙形成的一种有效方法. 关键词： 声子晶体 带隙 对称性     

黑磷的多声子共振拉曼散射

黑磷由于具有独特的各向异性而受到广泛的关注.声子色散和电子能带结构的研究对于理解黑磷的性质及其在下一代各向异性纳米光电子器件中的应用有促进作用.拉曼光谱作为材料的指纹谱,可提供材料声子色散以及电子能带结构等信息.根据拉曼选择定则,多声子(两个或两个以上的声子)拉曼散射光谱可以探测整个布里渊区内的声子态密度.然而,一般来说,相比于一阶拉曼散射,高阶拉曼散射具有极低的强度.为了克服这种限制,本文通过多个激光波长来激发黑磷的拉曼光谱,观测到了丰富的二阶和三阶拉曼模.同时,采用特定的偏振配置避免了黑磷光学各向异性所导致的双折射效应对拉曼强度的影响,结合声子色散及其对称性对680—930 cm~(–1)范围内的多声子拉曼峰进行了指认,这表明非布里渊区中心的声子对黑磷的二阶和三阶拉曼散射有重要贡献.本文所提出的研究高阶拉曼散射的方法对研究其他各向异性材料中的共振拉曼光谱具有借鉴作用.     

二维复式格子声子晶体带隙结构特性

借助于平面波展开法分析了二维复式格子声子晶体能带结构，计算了铝合金柱体按周期性结构排列在空气中形成的二维固/气复合体系的声子晶体，给出了复式蜂窝格子和复式Kagome格子的能带结构，进而对比分析了复式格子和简单格子的能带结构特性.结果表明，与简单格子相比，复式格子的带隙出现在频率相对较低的位置；在f=0.091—0.6046范围内，将声子晶体排列为复式格子要优于简单格子，可以得到更宽带隙.此外，引入了带隙分布图，讨论了填充系数f对带隙数目、带隙宽度以及带隙上下边界频率的影响. 关键词： 声子晶体 复式格子 带隙 平面波算法     

通信波段硅基气孔光子晶体的带隙特性及其物理模型研究

用平面波展开法对硅背景下的通信波段不同晶格类型和气孔形状光子晶体的能带结构进行数值计算与分析,提出了相应的物理模型.结果表明:利用光子受限效应和晶格对称性效应可以有效地调控光子带隙.随光子晶体填充率的增加,其约束光子的能力增强,光子带隙在一定范围内展宽且其中心频率蓝移;带隙随晶格对称性增加而变宽.对基元形状和旋转角度的研究发现,光子带隙随基元旋转角度变化具有周期性和对称性,表现出各向异性,由此优化出对应的不同晶格的最佳谐振腔型结构.     

正方点阵上Fibonacci超元胞声子晶体的带结构

用平面波展开方法研究了水柱体作为填充物, 按照二维Fibonacci排列成超元胞填充在Hg基体中构成的声子晶体的声频带结构. 结果发现, 随着超元胞中准晶格常数的变化, 各个能带均出现三分裂. 对声场分布的研究发现了居间态的存在. 这些现象体现了准周期结构的特征. 关键词： Fibonacci排列 声子晶体 能带结构     

基元配置对二维光子晶体不同能带之间带隙的调节和优化

介绍一种方法来调节和优化二维光子晶体不同能带之间的带隙.在单胞中任意位置增加一个基元,可以调节不同能带之间的带隙.而且固定两个基元的最佳位置,调节两个基元柱体边长,可以找到一个合适的配置,使各自的带隙相对带宽达到更大值.同时结果也表明双基元情况下,不同能带之间带隙优化对系统对称性要求不同,频率越高处的带隙优化要求系统对称性越低. 关键词： 光子晶体 带隙 配置 对称性     

手性单壁碳纳米管声子谱的计算

本文对不同直径的单壁碳纳米管的声子谱进行了计算。利用碳管的对称性对其晶格动力学矩阵进行了约化,给出全部声子的频率以及振动模对称性。详细分析了布里渊区(点声子的频率与管径的依赖关系,总结出一些规律,并对其进行了分析。     

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.     

基于声子晶体板的弹性波拓扑保护边界态

基于声子晶体拓扑特性构造的弹性波拓扑态在波调控方面具有背散射抑制和路径缺陷免疫等优异特性,受到广泛关注.本文设计了一种声子晶体板结构,通过在初始元胞中引入具有一定旋转角度的三角形穿孔实现对称性破缺,从而构造四重简并态.与现有利用能带"区域折叠"进行构造的方法相比,该方法简化了声子晶体的元胞构型.元胞的主要变量为三角形穿孔围绕其中心旋转角度θ,研究发现,旋转角度θ=0°时,元胞能带结构存在两个二重简并态,调整旋转角度到±33°时,布里渊区中心G点处出现四重简并态,并发现旋转角度越过±33°时均会发生能带反转,这表明调整晶体结构参数θ使得体系经历拓扑相变.利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞,并通过计算其投影能带,发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态.在此基础上,构造多种不同类型的弹性声子晶体板,验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性.本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点,为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.     

Band gap properties of two-dimensional photonic crystals with rhombic lattice

A new structure of two-dimensional photonic crystals (PCs) with rhombic lattice is proposed in this paper. It provides more flexibility in the design of photonic crystal devices and makes the designer be able to choose a more suitable lattice angle to satisfy different demands. The first Brillouin zone (1st BZ) of this structure is discussed and the general wave vectors are derived. The plane wave expansion (PWE) method is used to analyze the band gap properties. The impact of different lattice angels on the band gaps is analyzed, and the band gap map is also given.     

光子带隙结构调制下发光体中的能量传递过程

光子晶体因其具有光子局域和光子带隙这两大特征,而使得传统物理过程在光子晶体中有新的特点和变化,能量传递就是其中之一。分析了光子晶体中发光体的能量传递现象,并探索了其过程作用机制。采用了偶极-偶极共振相互作用模型,对理想一维光子晶体中带隙调制下的能量传递过程进行了研究,利用微扰法与色散关系的计算引入获得跃迁矩阵,并运用其对影响光子晶体中能量传递的因素和机制进行了相关讨论。     

Study on the anisotropic photonic band gaps in three-dimensional tunable photonic crystals containing the epsilon-negative materials and uniaxial materials

In this paper, the properties of anisotropic photonic band gaps (PBGs) for three-dimensional (3D) photonic crystals (PCs) composed of the anisotropic positive-index materials (the uniaxial materials) and the epsilon-negative (ENG) materials with body-centered-cubic (bcc) lattices are theoretically studied by a modified plane wave expansion (PWE) method, which are the uniaxial materials spheres inserted in the epsilon-negative materials background. The anisotropic photonic band gaps (PBGs) and one flatbands region can be achieved in first irreducible Brillouin zone. The influences of the ordinary-refractive index, extraordinary-refractive index, filling factor, the electronic plasma frequency, the dielectric constant of ENG materials and the damping factor on the properties of anisotropic PBGs for such 3D PCs are studied in detail, respectively, and some corresponding physical explanations are also given. The numerical results show that the anisotropy can open partial band gaps in such 3D PCs with bcc lattices composed of the ENG materials and uniaxial materials, and the complete PBGs can be obtained compared to the conventional 3D PCs containing the isotropic materials. The calculated results also show that the anisotropic PBGs can be manipulated by the parameters as mentioned above except for the damping factor. Introducing the uniaxial materials into 3D PCs containing the ENG materials can obtain the larger complete PBGs as such 3D PCs with high symmetry, and also provides a way to design the tunable devices.     

Investigation the effect of lattice angle on the band structure in 3D phononic crystals with rhombohedral(II) lattice

In this paper, the propagation of acoustic waves in the phononic crystals (PC) of 3D with rhombohedral(II) lattice is studied theoretically. The PC are constituted of nickel spheres embedded in epoxy. The calculations of the band structure and density of states are performed with the plane wave expansion method in the irreducible part of the Brillouin zone (BZ). In this study, we analyze the dependence of the band structures inside (the complete band gap width) and outside the complete band gap (negative refraction of acoustic wave) on the lattice angle in the irreducible part of the first BZ. Also the effect of lattice angle has been analyzed on the band structure of the ( \( \bar{1}10 \) ) and (122) planes. Then, the equifrequency surface is calculated for the high symmetry point in the [111] and [100] directions. The results show that the maximum width of AEBG (0.022) in the irreducible part of the BZ of RHL2 is formed for (105^°) and no AEBG is found for γ > 150^°. Also, the maximum of the first and second AEBG width are 0.1076 and 0.0523 for γ = 133^° in the ( \( \bar{1}10 \) ) plane and the maximum of the first and second AEBG width are 0.1446 and 0.0998 for γ = 113^° in the (122) plane. In addition, we have found that frequencies in which negative refraction occurs is constant for all lattice angles.     

正方介质柱光子晶体中异常传输现象研究

研究了电磁波在二维正方介质柱光子晶体中的传输,发现处于第一频带部分带隙的电磁波在不同界面切割方向上不同角度入射时可分别产生全反射及复杂异常折射现象如自准直现象、负折射现象.首先利用平面波展开法从理论上研究正方介质柱正方晶格光子晶体的频带结构及等频线,然后通过时域有限差分法来仿真研究光子晶体在第一频带部分带隙的传输特性.当光子晶体的界面切割沿着ΓX方向时,由于光子晶体内无本征模能够被有效地激发,入射波束被完全反射,这与光子带隙导致的全反射具有本质的不同;当光子晶体的界面切割方向沿着ΓM时,归因于其扁平的等频线,一定角度范围内入射的波束在光子晶体内几乎沿同方向传输即产生自准直现象.     

高质量三维光子晶体的实验制备及理论分析

对压强控制自组装法进行了改进,采用了密封硅胶颗粒的强吸水装置,为光子晶体样品的制备提供了一个稳定的温度、湿度和压强环境.将温度、压强分别控制在35 ℃、45 mmHg,利用直径为260 nm的聚苯乙烯胶体球进行了高质量三维光子晶体样品的制备.从理论计算和实验测量等方面对制备的光子晶体样品的结构、质量和性能进行了对比分析,结果表明,利用该实验装置进行光子晶体样品的制备时,可重复性高;制备的光子晶体样品具有较为完美有序的密堆结构,质量较好;在光子晶体样品的Г L方向有深且窄的光子带隙和陡峭的带隙边沿.光子带隙深度为83%,宽度为0.073,带隙边沿陡峭度为8%/nm,这为超快全光开关等先进的光学设备的研究奠定了基础.     

二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128°YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100500 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。      

高质量三维光子晶体的制备及其透射谱研究

设计了简易的压强可控自组装实验装置,制备了由直径为260 nm的聚苯乙烯(PS)胶体球组成的面心立方光子晶体.分析了压强的变化对光子禁带(PBG)深度及光子带隙边缘(PBE)坡度的影响,确定了合适的压强生长环境(P=5999.5 Pa).利用该实验装置,还进行了光子晶体的小批量制备,一次性制得了三块光子晶体,并从不同角度对每一块光子晶体的透射谱及不同光子晶体的透射谱进行了测量.同一光子晶体不同位置透射谱的重合、同一批次制备的不同光子晶体透射谱的一致性及光子禁带两侧的Fabry-Pérot振荡等均说明:该装置制备的光子晶体在大区域、大面积上是高度有序、均一和平整的;利用该实验装置进行光子晶体的小批量制备是可行的.     

Applications of the expanded basis method to study the properties of photonic crystals with frequency-dependent dielectric functions and dielectric losses

Band structures of two-dimensional photonic crystals (PCs) made of polar material with frequency-dependent dielectric constant are calculated by using an expanded basis method. The effect of the polariton gap (PG) of polar material on the photonic band gaps (PBGs) is explored. It is found that the PBGs are significantly modified near the PG, where the abrupt change of the dielectric constant appears. The feature of electromagnetic (EM) field is revealed when the frequency is located in the flat band. We display the equifrequency-surface configuration of the localized field and the spacial distributions of field. We observe the existence of several equi-ω curves for a specified frequency and the localized field distribution exhibiting various different patterns, dependent of the mode index. We also study the influence of the dielectric losses of the polar material on dispersion and find that the change of the real part of the Bloch wave vector is crucially related to the real part of the dielectric constant and the attenuated length is determined by its imaginary part.     

Performance testing of log pile photonic crystal fast-fabricated by direct femtosecond laser writing

Great efforts has been made on fabricating photonic crystals （PCs） with photonic band gaps （PBGs） during the past decade. Three-dimensional （3D） log pile PC was fabricated fast by direct femtosecond laser writing in ORMOCER. Qualitative analysis of the errors of PC was investigated using the Image Pro Plus. Surface qualities such as bending, distortion, and surface roughness were shown, and the band gap in the infrared wavelength region was observed. Meanwhile, the theory was experimentally verified that the center of PBG diminishes as the crystal lattice period reduces. Therefore, it is possible to fabricate PCs whose band gap range is from the near-infrared to visible wave band.