一维光子晶体横磁场模的特性

基于平面波展开法,设计三层一维光子晶体横磁场模结构,改变三层介质厚度和介质折射率的大小,应用MATLAB语言进行仿真计算,在一维光子晶体三层介质厚度值为0.4、0.05μm和0.05μm,折射率为1、3N和12N时形成一维光子晶体带隙宽度最宽为0.2694Hz.研究结论为一维光子晶体器件的设计提供理论依据.     

一维光子晶体禁带特性的研究

应用传输矩阵法研究了一维光子晶体的禁带特性,数值模拟得到了一维光子晶体TE模、TM模和TE/TM模禁带结构,计算结果表明,介质层的厚度发生变化时,禁带宽度发生变化。研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

一维光子晶体的双通道位置设计及调整

通过对法布里-珀罗滤光片性质的研究,以及对法布里-珀罗滤光片中缺陷层厚度变化对通道数目、位置影响的分析,为双通道一维光子晶体的设计提出了一条新的思路。在法布里-珀罗结构的基础上引入一维光子晶体的双对称结构,并通过改变双对称结构的三个缺陷层厚度来实现对禁带内两个通道系列位置的独立调整。设计过程中采用有效界面法对通道的位置进行初步的计算,并通过计算机理论模拟对膜层进行修正,使通道的位置满足设计要求。设计结果表明,通过调整两个厚度参量可以克服双通道一维光子晶体中的通道干涉现象,从而实现通道位置的独立调整。     

一维磁性光子晶体的电磁场分析和数值计算

本文探讨一维磁性光子晶体的概念和结构.提出了一种分析一维磁性光子晶体的法拉第旋转效应的电磁场方法.分析计算表明:嵌于光子晶体中的一层很薄的磁性材料将可获得比单独一层同样厚度的磁性材料大得多的法拉第旋转效应,从而从理论上验证了文献上的相关实验.同时也分析了一维磁性光子晶体用作光子晶体结构下的光隔离器等器件中的法拉第旋转器的可能.     

含复合缺陷层的光子晶体的光学特性

运用传输矩阵法研究了在一维光子晶体中插入缺陷层的透光特性。在无缺陷层的一维光子晶体中能产生467~510 nm、1 279~1 715 nm两处明显的光子带隙。重点研究了插入缺陷层后,在1 279~1 715 nm的光子带隙中缺陷层厚度和入射角度大小分别与透射光谱变化的关系。研究发现：缺陷模的位置对入射角变化很敏感;出现缺陷模的数量和插入缺陷层的数量相同;一维光子晶体厚度的增大不会改变缺陷模的数量和位置,只改变透射峰的宽度和透射率。     

一维光子晶体缺陷模的偏振特性研究

利用周期结构的布洛赫定理推导了一维无限光子晶体缺陷模方程,研究了缺陷模的偏振特性,以及在不同入射角和缺陷层厚度下缺陷模位置的变化.利用传输矩阵方法对有限周期数光子晶体也进行了研究,分别对应一维无限光子晶体和有限周期数光子晶体给出了数值计算结果.通过比较这两者的数值结果得出了缺陷模随入射角和缺陷层厚度变化的一般规律.     

硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备

从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器.首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响.基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器.通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500—750 nm波长范围红移至650—1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%.将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%.同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响.研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.     

一维函数光子晶体的研究

本文提出一种新型函数光子晶体, 其折射率是空间位置函数. 由费马原理, 我们给出光在一维、 二维和三维函数光子晶体中的运动方程, 以及一维函数光子晶体的色散关系、 带隙结构和透射率, 再利用传输矩阵理论研究函数光子晶体周期数、 入射角和介质层的厚度等对透射率和禁带结构的影响, 计算发现通过选择不同的折射率空间分布函数, 可以得到比传统光子晶体更宽或更窄的禁带结构. 这样为我们设计不同带隙结构的光子晶体提供理论依据.     

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.     

一维等离子体光子晶体的带隙研究

采用时域有限差分方法(FDTD),结合等离子体计算中的分段线性电流密度卷积技术(PLJERC)对一维等离子体光子晶体(1D-PPC)进行了数值模拟,给出了微分高斯脉冲在一维等离子体光子晶体中的传播过程。计算得到的带隙结构与K-P模型方法的结果一致。计算并分析了等离子体频率、介质介电常数、等离子体-介质层的厚度比以及周期厚度对一维等离子体光子晶体带隙结构的影响。     

Magneto-optical activity of a one-dimensional photonic crystal with a magnetic defect

The influence of a magnetic defect on the field distribution and magneto-optical properties of a one-dimensional photonic crystal has been investigated. It has been shown that the maximum localization of the wave field in the defect layer is achieved in an asymmetric photonic crystal structure. A greater Faraday rotation, which significantly exceeds the angle of rotation of the polarization plane in an isolated magnetized layer, and a higher degree of localization of the wave field can be achieved when the magnetic layer is surrounded by layers of photonic crystal mirrors with a lower refractive index. An increase in the Faraday rotation angle is determined not only by an increase in the thickness of the magnetic defect but also by a symmetric increase in the number of periods in the photonic crystal mirrors.     

表层厚度渐变一维耦合腔光子晶体的反射相位特性及其应用

利用传输矩阵法研究了表层厚度渐变的一维非对称耦合腔光子晶体的反射相位特性. 研究表明, 光子禁带内(包括缺陷模附近)的反射率在98%以上, 且基本不受表层厚度影响, 特别是, 在非正入射情况下, 简并的缺陷模随着表层厚度的变化会发生分裂; 进一步研究发现, 在缺陷模分裂处附近, TE, TM偏振的反射相位以及它们之间的相位差均敏感地依赖于表层厚度的变化, 从而使得反射光的偏振态也随表层厚度的变化而敏感变化, 其物理机理在于缺陷模分裂所造成的剧烈相位变化. 基于上述特性, 设计了一种表层厚度呈二维周期变化的一维光子晶体结构, 从该结构反射的激光经透镜聚焦后, 在聚焦区域同时存在各种偏振态(包括沿不同方向的线偏振、左旋或右旋圆偏振、椭圆偏振等)的子光束, 它们叠加后在聚焦区域将产生具有无规相位和无规偏振态的光场. 以上结果能有效降低激光的相干性, 在激光核聚变等领域有潜在的应用价值.     

PBG properties of three-component 2D photonic crystals

In this paper we analyze theoretically how the introduction of the third component into the two-dimensional photonic crystal influences the photonic band structure and the density-of-states of the system. We consider the periodic array of cylindrical air rods in a dielectric, and the third medium is introduced as a ring-shaped intermediate layer of thickness d and dielectric constant _i between the air pores and the dielectric background. Using the plane wave method, we have obtained the band structures for the 2D triangular lattice photonic crystals. The dependencies of TE and TM band gaps’ widths and gaps’ edges position on the interlayer dielectric constant and interlayer thickness were analyzed. In the framework of this approach, we have estimated the influence of the surface oxide layer on the band structure of macroporous silicon. We observed the shift of the gaps’ edges to the higher or lower frequencies, depending on the interlayer thickness and dielectric constant. We have shown that the existence of a native oxide surface layer should be taken into consideration to understand the optical properties of 2D photonic crystals, particularly in macroporous silicon structures.     

RTCM算法在一维光子晶体缺陷模中的应用

利用RTCM算法研究一维光子晶体的缺陷模.研究了TE波和TM波入射时的情况,通过改变杂质层的光学厚度以及杂质层的折射率从而得出一些有重要指导意义的缺陷模特性.同时对有缺陷的一维光子晶体在窄带滤波器中的应用做了一定程度的探讨.结果表明:正入射时,TE波和TM波的透射率几乎相同,随着杂质层光学厚度的增加,透射峰数目增加,这有助于制作多道窄带滤波器.因此,有缺陷的一维光子晶体可以制作波分复用中的多道滤波器.     

Graphene-based one-dimensional photonic crystal

A novel type of one-dimensional (1D) photonic crystal formed by an array of periodically located stacks of alternating graphene and dielectric stripes embedded into a background dielectric medium is proposed. The wave equation for the electromagnetic wave propagating in such a structure is solved in the framework of the Kronig-Penney model. The frequency band structure of the 1D graphene-based photonic crystal is obtained analytically as a function of the filling factor and the thickness of the dielectric between the graphene stripes. The photonic frequency corresponding to the electromagnetic wave localized by a defect of the photonic crystal formed by an extra dielectric placed in the position of one stack of alternating graphene and dielectric stripes is obtained.     

波状结构二维光子晶体近场亚波长成像的研究

研究了波状结构二维光子晶体(2DPC)在红外波段的负折射近场成像,对其等频面进行了分析,指出波状结构二维光子晶体无法实现负折射远场成像的原因在于缺少与入射介质等频面相匹配的光子晶体圆形等频面,所用的矩形等频面使波状膜层二维光子晶体不可避免地具有各向异性特征,进而将成像限制在近场范围内。采用时域有限差分(时域有限差分)方法模拟了不同厚度的波状结构二维光子晶体近场成像效果,当厚度为两倍栅格常量时,单光源的成像分辨力为0.28λ,达到亚波长分辨效果。分辨力随着光源逐渐远离近场范围而降低,而像点的位置基本不随光源距离和光子晶体厚度的变化而改变。双光源的成像模拟进一步验证了波状结构二维光子晶体的近场亚波长成像能力,分辨力达到0.35λ,但成像质量受光子晶体厚度变化的影响较大。     

光子晶体在座舱罩雷达散射截面减缩中的应用

提出一种金属 介质型光子晶体薄膜，用传输矩阵法计算这种光子晶体薄膜的反射率和透射率。计算结果表明，这种光子晶体薄膜对毫米和厘米量级的微波的反射率高达99％以上；对于波长为微米量级的可见光，平均透光率为50％。分析了介质单元厚度、金属单元厚度、金属层总厚度对透射率的影响，给出这种光子晶体薄膜的材料选择和结构设计应遵循的原则。指出这种光子晶体薄膜涂镀在飞机座舱玻璃上，可以有效地减小座舱罩的雷达散射截面。     

Tunneling of electromagnetic waves through a barrier with a periodic structure

The propagation of an electromagnetic wave through a barrier with a periodic structure is considered. An interesting manifestation of electromagnetic wave tunneling through a barrier with a periodic structure is revealed. Specifically, it is theoretically and experimentally shown that, when an electromagnetic wave passes through a medium with a periodic structure in the diffraction mode within a photonic band gap, the field in the medium is localized near its boundaries. Theoretical calculations have been performed for a cholesteric liquid crystal layer of finite thickness and for a 1D photonic crystal. The experiment was carried out with perfect Si single crystals in reflection from the $ (2\bar 20)$ (2\bar 20) and $ (4\bar 40)$ (4\bar 40) planes using MoK _α X rays.     

Graphene based photonic crystal optical filter: Design and exploration of the tunability

Optical characteristics of two new graphene based photonic crystals are studied in detail. A structure containing alternating layers of graphene and SiO₂ slabs is considered as the ideal crystal. The dependency of the photonic band gaps (PBGs) to the dielectric layer thickness and the period number is explored at first step. Potential of the proposed crystal to be used as an optical filter is then investigated. Adding a nonlinear electro-optic polymer as a defect layer, the alterations of the optical features are inspected. Results show that the defect layer insertion causes a resonant mode inside the PBGs. However, the location of the defect layer inside the crystal is very effective on both the frequency and width of the resonant mode. Tunability of the optical features is probed by taking into account of the dependencies to the wave incident angle, graphene chemical potential and the applied external voltage to the defect layer.