新型功能材料——声子晶体

声子晶体是20世纪90年代初提出的一种新型声学功能材料，这种周期性弹性结构具有许多重要性质，如声波带隙特性，即处于禁带频率范围内的振动或声波将被禁止在晶体中传播。通过求解声波在晶体中的运动方程可以设计一定的声子禁带和允带，而声子禁带与声波异质结构中声子的安德森局域化问题密切相关。文章重点阐述了声子晶体的主要特征、理论研究方法、潜在应用及前景展望。     

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。     

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...     

弹性波在固-固结构矩形声子晶体中的传输特性

利用一维固-固结构矩形声子晶体中弹性波横向受限的条件,推导出弹性波在其中各个模式满足的关系式,利用它研究了弹性波各模式的特性。并用转移矩阵研究了弹性波的传输特性随模式量子数和边长的变化规律。得出了一些不同于一维固-固结构非受限声子晶体的新特征,即一维矩形声子晶体的禁带由模式量子数确定,禁带的频率中心和频率宽度与模式量子数和边长有关。     

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.     

体积全息图中的光子禁带

利用光子晶体的概念和方法分析光学全息,用光子晶体的带结构解释了体积全息图的性质.与超晶格不同,全息光子晶体的介电常量是渐变而不是突变的.着重讨论了一维非倾斜反射全息图在再现光不同角度入射情况下禁带结构的性质,通过基元反射全息实验的验证,证明体全息的禁带分析与实验结果符合得很好. 关键词： 体积全息图 光子晶体 禁带     

光子晶体异质结的位相和应用

研究了由不同周期结构的光子晶体组成的异质结和含耦合杂质的光子晶体异质结的位相. 发现光子晶体异质结使光子晶体杂质模的反射率接近1,但反射相移不随反射率的改变而改变,反射相移只由前边的子光子晶体的禁带、通带或耦合杂质模中的子峰决定. 即异质结的前边的子光子晶体的耦合杂质模中的每一子峰、每一通带或禁带对应的反射相移为2π. 对多杂质耦合的结构,反射相移很灵敏,可用于制作高灵敏光子器件. 以全光位相与非门为例描述全光位相逻辑门的方案和可行性. 另外,这些特性对研究位相有关的新物理过程和现象有意义. 关键词： 光子晶体 位相 异质结 耦合杂质     

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。     

一维光子晶体与光学多层介质膜

本文阐述了一维光子晶体和光子禁带的概念,对比了一维光子晶体与光学多层介质膜在结构和特性方面的联系和差别,运用薄膜光学的理论和方法讨论了多层介质膜的高反射带与光子禁带和膜系结构参量的关系.     

由高反射结构组成异质结中的高透射界面模理论和实验研究

通过对两种异质结(金属-光子晶体异质结和光子晶体异质结)进行理论计算发现,由两种高反射材料(如负介电常数材料、光子晶体禁带材料)构成的异质结中,存在高透射的局域界面模,并且这种局域界面模的存在与零阻抗条件相关.同时,实验制作了一种金属-光子晶体异质结结构,并在近红外波段观察到该局域界面模的存在.     

平均折射率为零的光子晶体中缺陷模频率特性的实验研究

利用传输线技术制备了左手材料,将左手材料与正常材料交替排列组合成平均折射率为零的一维光子晶体.该光子晶体在特定频段具有光子带隙,带隙不随晶格尺度和入射角的变化而改变.通过掺杂技术破坏光子晶体的周期性,可在禁带中引入缺陷模,这种结构的光子晶体可用于实现滤波器小型化和超强耦合.研究表明,通过调节缺陷的厚度可以控制缺陷模的频率,这为调节频率提供了一种方法.实验与仿真结果相符. 关键词： 左手材料 复合左右手传输线 光子晶体     

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.     

含各向异性左手材料一维光子晶体的传输特性分析

采用光学传输矩阵方法,研究了由各向异性左、右手材料交替排列构成的一维人工周期结构的带隙结构和传输特性,讨论了反射率随入射角度的变化关系。结果表明,含各向异性左手材料的光子晶体比传统的光子晶体有更宽的禁带;含各向异性左手材料的一维光予晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对某一低频波段的全方位反射;通过适当选取左手材料的参数,禁带中会出现狭窄的透射峰。     

低频和高频区域内大禁带的二维各向异性光子晶体

采用一种改进的平面波展开法,运用一种有效的设计二维各向异性光子晶体的方法,在低频和高频区域内获得了具有较大禁带的两种二维光子晶体.低频区域内,找到具有最大禁带宽度的光子晶体的禁带宽度为Δω=0076(2πca),中心频率为0769(2πca)(这里的a为晶格常量).高频区域内,找到的光子晶体的最大禁带宽度为Δω=01(2πcα),中心频率为1653(2πca).同时在低频区域内,发现一种很简单的正方网格结构,它的禁带宽度为Δω=00574(2πca),禁带宽度与禁带的中心频率之比为Δωωc=11782%. 关键词： 光子晶体 平面波展开法 各向异性材料 完全禁带     

周期数对光折变聚合物材料带隙影响的分析

自从1987年Yablonovitch和J0hn提出光子晶体的概念以来,光子晶体已成为光电子材料的一个重要研究领域．光子晶体是一类折射率周期性变化的人工微结构光学材料．当光在共中传播时,某些频率范围内的光会受到抑制,形成光子禁带（PBG）．光折变聚合物材料是一种新的近年来人们开始关注的体全息材料,在光的照射下,     

一维压电Fibonacci类准周期声子晶体传输特性

基于传输矩阵法研究了一维压电Fibonacci类准周期声子晶体的传输特性, 比较了一维Fibonacci序列压电准周期声子晶体与非压电准周期声子晶体以及压电周期性声子晶体的透射性. 计算结果表明:弹性波通过一维准周期结构压电声子晶体时与周期性声子晶体一样会有带隙的出现, 且发现具有压电性的Fibonacci序列准周期声子晶体禁带宽度发生了展宽. 进一步讨论了入射角度对固定频率下声子透射系数的影响,结果表明一维压电Fibonacci序列准周期结构声子透射性依赖于入射角度的选取.     

复合兰姆波声子晶体中超宽部分禁带

兰姆波在声子晶体薄板中的传播特性因其在无损检测、 减振技术和传感器件等领域的潜在应用价值而受到越来越多的关注. 本文采用超原胞平面波展开法和有限元法系统地研究了复合对称结构声子晶体薄板中的兰姆波超宽部分禁带. 结果表明: 对于在薄板侧面对称地嵌入双层矩形空气柱构成的复杂系统, 低阶兰姆波部分带隙结构极为丰富. 将晶格常数(L)和板厚(H) 比值具有匹配关系的兰姆波声子晶体衔接构成复合结构, 低阶兰姆波部分禁带宽度因各组分结构的部分禁带交叠而得到显著拓宽, 可在低频超宽频带内实现对特定低阶兰姆波模式良好的模式选择功能. 该研究结果对兰姆波缺陷无损检测中模式优化选择及兰姆波单向导通器件设计等方面具有重要意义.     

PBG光子晶体光纤的色散特性研究

光子晶体光纤(PCF)是一种具有特殊包层结构的光纤,它是利用光子禁带效应(PBG)来导光的。利用时域有限差分法(FDTD)来分析光波在PCF中传输的色散特性,结果表明,PBG光子晶体光纤的色散值和色散斜率比常规的通信光纤要小。     

光子晶体的光学特性与近场光学测量表征

光子晶体具有独特而优异的光学特性及广泛的应用前景。介绍了光子晶体的概念、应用、发展,着重讨论了光子晶体的光子禁带、光子局域以及其它光学特性。从近场光学的原理和实验技术出发阐述了近场光学测量表征光子晶体的方法,对于光子晶体的研究具有重要的意义。     

宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构

提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.