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.     

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.     

一维光子晶体禁带调制的几种方法

基于传输矩阵法用Matlab软件对TiO_2-SiO_2光子晶体的反射谱进行了模拟.在介质层光学厚度满足四分之一膜系条件下,研究了入射角、介质厚度和光子晶体周期数对禁带的影响,并给出了通过改变这些参量实现对禁带调制的方法.     

一维光子晶体的有效折射率

本文针对有限周期的一维光子晶体引入了有效折射率的概念.利用传输矩阵的方法计算了光子晶体的复透射系数,在此基础上进一步得到了有效折射率的解析表达式.考虑到光子晶体的特殊空间结构及其存在光子禁带的特性,进而探讨了光子晶体带隙结构的特征及其有效折射率与光子晶体单层材料的折射率、光学厚度、物理厚度和中心波长的关系.研究发现组成单层材料的两种介质的折射率的比值和单层材料的物理厚度影响有效折射率的振荡幅度,单层材料的光学厚度影响有效折射率的振荡周期.中心波长对有效折射率无影响.     

光学厚度对一维三元光子晶体禁带特性的影响

运用光学传输矩阵理论,研究了一维三元光子晶体的禁带特性.数值模拟结果表明：最高折射率和最低折射率介质的光学厚度明显地影响其绝对禁带宽度,而较高折射率介质的光学厚度对其相对禁带宽度影响较大.与二元光子晶体相比,三元光子晶体的绝对带宽和相对带宽都远远大于二元光子晶体.     

一维光子晶体的电磁波理论及实现方法

对一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,给出了光子晶体中的禁带存在的理论依据,并以此分析了禁带的特征.同时,对一维光子晶体的光学理论做了阐释,并应用于一维光子晶体的设计实践.列举了两个多层周期介质膜的禁带特性.最后对光子晶体的应用和制造前景做了展望.     

一维光子晶体结构参数对禁带带隙的影响研究

采用平面波法(PWM)计算一维光子晶体的带隙结构。分别就构造一维光子晶体结构的高低折射膜层的介电常数及填充比(高折射膜层的厚度与晶体周期长度的比值)对禁带带隙宽度的影响作出分析。通过最小二乘曲线和曲面拟合得到带宽与介电常数或带宽与填充比的函数关系图，以确定最佳的禁带带宽，从而设计一维光子晶体的周期结构。对高低折射膜层为GaAs/空气组成的一维光子晶体，介电常数比约为13/1，当填充比为0.16时，计算得禁带带宽为0.2564×2πc/Λ，禁带的中心频率为0.3478×2πc/Λ，与实验数据吻合。     

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.     

一维三元异质结构光子晶体反射特性

利用传输矩阵法对一维三元光子晶体异质结构的光学特性进行了研究,讨论了介质层厚无序度对三元结构光子禁带的影响.研究表明,将具有相互交叠光子禁带的一维光子晶体叠加构成异质结,可以有效地增大全角度反射的频率范围,当入射角从0°增大到89°,该结构均可实现从0.410 w/w0到0.654 w/w0宽频波段的全反射;相对于二元结构,三元结构可以减小在实际制作过程中随机误差引起的介质层厚无序对光子带隙的影响.该研究结果可为实现可见光及红外光波段大角度反射器的制备及应用提供理论支持.     

含奇异材料的掺杂一维光子晶体色散关系和空间局域度理论

给出了描述掺杂的一维光子晶体结构缺陷态的变化规律及其空间局域度特性的理论表达式.该式对由具有任意色散关系材料组成的、中间掺杂、两边对称的一维光子晶体结构均成立.通过研究含奇异材料的光子晶体组态发现，当缺陷层材料为右手材料时，光子带隙中缺陷态的频移方向随缺陷层厚度的增大而红移；当缺陷层材料是左手材料时，频移方向刚好相反，表现为蓝移.该缺陷态的空间局域度只与两边对称结构有关.两边对称结构含奇异材料的光子晶体的缺陷态比传统右手材料的结构具有更强的空间局域度.     

DOUBLE PERIODIC PHOTONIC CRYSTAL WITH METAMATERIAL

In this paper, the reflection and transmission coefficients of multi-layer dielectric and metamaterial media are derived by transmission-line method. Then, it is applied to double periodic photonic crystal structure, which is composed of two thin dielectric layers sandwiched by two thin metamaterial layers. The results show the structure has a large passband and a monotonous symmetric rising band edges compared with that for a conventional photonic crystal structure. If a defect layer is introduced, the localized modes appear. Furthermore, the number of transmission peaks in the photonic crystal structure can be tuned by changing the thickness of the defect in the structure. This photonic crystal may find application to broadband reflectors and the multi-wavelength narrow band optical filters.     

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.     

多系双局域态光子晶体的可调谐滤波特性分析

利用紧束缚方法分析了双局域态光子晶体产生双缺陷模的机理, 采用传输矩阵法研究了一维光子晶体的光学传输特性, 并得到了透射谱与晶体结构参数的关系, 在此基础上讨论了光子晶体在受到单轴应力时所表现出的介观压光效应, 据此设计了一种结构简单的应力调制的近红外波段的多通道滤波结构.通过数值模拟可以看出, 随着各介质层折射率或厚度的增加, 缺陷模发生红移.当对多系双局域态光子晶体施加单轴拉伸应力时, 各缺陷峰都向长波长移动, 且缺陷峰峰值基本不变.经过数值拟合, 缺陷峰中心波长与对光子晶体施加单轴拉伸应力所产生的应变呈线性关系.该滤波器结构简单、可调谐性好, 在一系列精巧的光子晶体激光器、波分复用器或者其他精密仪器的制造中有一定的应用价值.     

光子晶体全反射贯穿偏振滤波器的理论研究

 为了研究1维光子晶体中光的全反射贯穿效应及其偏振滤波特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波在大于全反射角入射1维光子晶体的透射率,发现在透射波中出现了全反射贯穿效应。研究了TE波和TM波的全反射贯穿效应随介质光学厚度和周期数的变化特征,表明：全反射贯穿峰的频率随介质光学厚度的增加而减少,全反射贯穿峰数与周期数相等。且全反射贯穿效应具有优良的偏振滤波特性,利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的1维光子晶体的偏振滤波器。     

Design of Narrowband Optical Filters Using Binary Number Sequence Photonic Crystals

A theory to design narrow band optical filters by using a new photonic crystal structure is presented. This new photonic crystal structure is composed of low index layers and high index layers arranged in mod. 4 up and down binary number sequence. The new structure exhibits narrow transmission peaks in the forbidden frequency gap region with high optical transmission (greater than 99.98%) at C.W.D.M. (Coarse Wavelength Division Multiplexing) center wavelengths. The proposed filters use only 8 layers. These new binary number sequence photonic crystal narrowband optical filters are much smaller in size, lower in cost and easier to fabricate as compared to narrowband photonic crystal optical filters based on defect Fractal Cantor multilayers, suggested recently by a group of researchers.     

光子晶体多通道可调谐滤波器的理论研究

为了实现光子晶体的多通道滤波,对设计出的一维掺杂光子晶体进行了数值计算和理论分析。结果表明：多通道透射峰的波长与空气膜厚度呈线性变化,不同厚度的空气膜可以截到数目不同的透射峰,多通道透射峰的半高宽随光子晶体折射率n₂的增加而减小。以此为基础,设计出滤波通道波长的可调范围达60nm,滤波通道半高宽的可调范围为1nm～5nm,滤波通道透射峰值大于0.98的一维光子晶体三通道可调谐滤波器。     

对称双缺陷光子晶体的可调谐滤波特性分析

基于光子晶体的光子局域特性,并利用光子晶体的介观压光效应,提出了一种新型的双通道可调滤波器结构.采用传输矩阵法对该滤波器的光学传输特性进行了理论推导,建立了透射谱与光子晶体结构参数的关系,讨论了介观压光效应对双缺陷光子晶体透射谱的影响,并对所设计的光子晶体结构进行了数值模拟.结果表明:随着入射角度的增大,缺陷峰发生蓝移.随着各介质层折射率或几何厚度的增加,缺陷峰发生红移.当光子晶体发生轴向拉伸应变时,缺陷峰的位置向长波长移动,但缺陷峰的峰值大体不变,从而验证了此滤波器的可调节性.该光子晶体滤波器结构紧凑,可调谐性好,为光子晶体激光器及传感器的设计提供了一定的理论参考.     

液晶-金属光子晶体波导的光学特性

运用时域有限差分方法分析了二维液晶-金属光子晶体波导的光学特性。二维正方晶格金属光子晶体波导位于两个电极之间,其背景介质为液晶。通过在电极上施加不同电压,电场诱导液晶取向以改变液晶的折射指数从而改变光子晶体的带隙结构。数值计算结果表明:通过外界电场控制所填充的向列相液晶的方向可以对这种金属光子晶体波导的光学特性进行调节,该波导可用于制作光子晶体光开关等光学器件。     

Asymmetric light propagation based on semi-circular photonic crystals

A new structure based on a semi-circular photonic crystal is proposed to achieve asymmetric light propagation. The semi-circular photonic crystal structure proposed in this paper is a deformation of a two-dimensional conventional square photonic crystal. Through the directional bandgap of the semi-circular photonic crystal, the light from one direction can transfer to the other side, but the light from the opposite direction cannot. A high contrast ratio is obtained by designing the constitutive parameters of the photonic crystal and choosing the suitable light frequency. This structure promises a significant potential in optical integration and other areas.