异质单周期内对称光子晶体的光子带隙特性

利用传输矩阵法,理论上对由TIO₂和SiO₂构成的异质单周期内对称光子晶体的透射谱进行仿真,分别改变入射光的角度、光子晶体介质层数和BA两层的厚度比,观察其透射谱,研究发现该结构形成的光子带隙的位置大小对介质层数的变化不敏感,但对入射角和BA两层厚度比的变化很敏感,这一研究对于光子晶体的设计具有重要意义.     

对称型单负交替一维光子晶体的能带结构

构造了(AB)^N(BA)^N对称型两种单负材料交替一维光子晶体,利用传输矩阵法进行数值模拟.结果表明：这种单负交替对称型一维光子晶体具有一种特殊带隙结构,该带隙不敏感于入射角和晶格的无序性.在该带隙内出现了两个隧穿模,该隧穿模不敏感于入射角的改变和晶格的无序性,但能带及带隙内的隧穿模却敏感于晶格标度和周期数的变化;随着入射角的改变,带隙两侧的隧穿模趋于简并.这些特性对在利用此结构光子晶体设计双重超窄带滤波器时,具有一定的参考价值. 关键词： 光子晶体 单负材料 光子带隙     

异质镜像光子晶体的光子带隙研究

对异质镜像结构光子晶体(ABCCBA)^N进行了研究。首先,利用一维介电体系中处理光传播的方法--传输矩阵法,详细推导了异质镜像光子晶体透射率的计算公式;然后,采用Matlab软件编程仿真并分析了光子带隙形成与镜像周期数目、光子带隙数目与光子晶体薄层厚度、光子带隙位置与入射角大小等的关系。结果表明:光子带隙的形成及变化主要受光子晶体薄层厚度及入射角大小变化的影响。通过改变影响光子晶体光子带隙的参数,可得到不同频段的光子带隙,用来制作高质量反射镜、滤波器和发光二极管等。     

微波段左手材料光子晶体带隙特性研究

利用电磁理论和传输矩阵法仿真得到了在0.3~6.935GHz微波波段具有负折射率的左手材料,并分别对右手材料和左手材料构成的光子晶体带隙特点进行了分析.结果表明:右手材料光子晶体结构的带隙对周期数变化不敏感,而对层厚度比、入射角度变化敏感;左手材料光子晶体带隙随层厚度比的增大,带隙位置出现蓝移,随着入射角度的增大,TM波主带隙的上带边会出现红移,而TE波带隙特性对入射角度变化不敏感.研究结果对微波技术中全方位反射器等器件的设计有一定的参考意义.     

大小周期正方格子复合结构的光子带隙特性

把具有宽完全带隙的粗锐复合的周期常数为a的二维正方格子再与周期常数为a₂的大周期简单正方格子复合，发现大周期正方格子起缺陷作用.并发现当a₂<5a时,缺陷态明显地随入射角度变化.此变化随a₂的增大而减少.用FDTD方法计算了其透射和反射谱,结果表明缺陷峰透射率与a₂的大小成反比.另外还发现: 缺陷峰结构与大周期正方格子的圆柱直径的关系曲线与a₂关系不大.通过调节大周期正方格子的圆柱的直径，可获得单 关键词： 光子晶体 光子能隙 复式结构 缺陷态     

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.     

电磁波在周期介质中的传播及二维光子晶体的光子带结构

光子晶体是光学与凝聚态物理交叉的新领域,也是近年来应用物理学的一个重要研究领域,它是一种由介电常数高的(低的)介质在另一种介电常数低的(高的)背景介质中周期排列所组成的人造多维周期结构材料,能够产生光子带隙。频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播,因而具有能够抑制原子、分子的自发辐射等诱人的光电子学特性,在基础研究和实际应用上都有着巨大的潜力。本文在这一领域里进行了富有成效的研究,获得了很好的结果。主要有:(1)利用平面波展开方法来计算二维光子晶体的带隙结构。首先,我们设计正方晶胞的二维光子晶体模型。设x₃方向为介质柱的轴方向,二维周期结构在x₁-x₂平面上。晶胞的晶格常数为a,半径为r,介质柱和空气柱的介电常数分别为ε_a=17和ε_b=1,a>2r。设计的核心思想是通过降低光子晶体结构的对称性,消除光子能带在晶体的布里渊区高对称点上的本征简并。(2)对于二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,给出了光子晶体中禁带存在的理论依据。同时以正方格子晶格的二维光子晶体为例,验证了电介质在空气圆孔中的排列存在E偏振和H偏振的光子带隙重叠区,称为绝对光子带隙。对于二维的光子晶体,两种本征偏振模式的光子能带结构可以独立地调节,以实现两者的光子带隙的最优重叠, 从而大大提高了二维光子晶体的完全带隙宽度。     

由介质球构成的三维光子晶体能带结构的平面波研究

采用平面波展开方法计算由介质球构成的面心立方三维光子晶体的能带结构及透射性质.选 用合适的平面波个数研究了SiO₂蛋白石结构光子晶体的能带及透射性质，并采 用转移矩阵 方法计算了电磁波沿［111］方向的传输特性，两种方法得到的结果相符合.还研究了反蛋白 石结构光子晶体的全带隙.最后，研究了壳层介质球构成的面心立方结构光子晶体的能带特 性，发现在高介质球外面包裹适当厚度的低介电常数介质壳层所构成的光子晶体，可以增大 L点相对带隙宽度50％，并证明了其优化内外半径比值约为0．69. 关键词： 光子晶体 光子能带 平面波展开方法 Core-Shell结构     

含负折射率材料的异质结构光子晶体的光学传输特性

利用传输矩阵法研究了正负折射率材料构成的异质结构光子晶体的光学传输特性。结果表明:当入射波正入射时,在这种异质结构光子晶体内出现了光子带隙,并且带隙内出现了3个极窄的透射峰,这是正负交替光子晶体和常规材料构成的同周期一维异质结构光子晶体所不具有的新颖物理特性。计算了这种异质结构光子晶体的透射谱。发现:这3个透射峰不敏感于入射角的变化,而在带隙两侧的透射峰则会随着入射角增大统一向带隙靠近;能带敏感于晶格厚度和周期数的变化。     

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。     

用一维光子带隙结构增强硫化镉双光子吸收研究

用真空镀膜方法制备了含有单个CdS缺陷层的具有不同周期和结构参量的TiO2／SiO2一维光子晶体。用抽运一探测技术研究了CdS缺陷层的双光子吸收（TPA）现象。实验结果表明：一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收显著增强。不同周期和结构参量的一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收系数不同。双光子吸收的增强来源于由光局域化导致的缺陷层的电场强度的增加。缺陷层电场强度与一维光子晶体的结构有关,如周期,光子带隙的位置与宽度及缺陷模式等因素都会影响缺陷层电场强度。采用四分之一波长的高低折射率介质层和与入射波长匹配的缺陷模可以得到最大的缺陷层电场强度。     

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。     

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。     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

Photonic bands, gap maps, and intrinsic losses in three-component 2D photonic crystal slabs

We obtain the photonic bands and intrinsic losses for the triangular lattice three-component two- dimensional （2D） photonic crystal （PhC） slabs by expanding the electromagnetic field on the basis of waveguide modes of an effective homogeneous waveguide. The introduction of the third component into the 2D PhC slabs influences the photonic band structure and the intrinsic losses of the system. We examine the dependences of the band gap width and gap edge position on the interlayer dielectric constant and interlayer thickness. It is found that the gap edges shift to lower frequencies and the intrinsic losses of each band decrease with the increasing interlayer thickness or dielectric constant. During the design of the real PhC system, the effect of unintentional native oxide surface layer on the optical properties of 2D PhC slabs has to be taken into consideration. At the same time, intentional oxidization of macroporous PhC structure can be utilized to optimize the design.     

含负折射率材料一维光子晶体的全方位带隙和缺陷模

运用光学传输矩阵理论,研究了含负折射率材料一维二元光子晶体的禁带特性和局域模特性,发现了一种新型全方位光子带隙.与传统的Bragg带隙相比,这种新型全方位光子带隙的中心频率和带宽对入射角的变化不敏感.讨论了引入缺陷层后,入射角变化和各层介质厚度做一定比例的缩放时对缺陷模位置的影响.这种特性在具有固定带宽的全方位反射器和微波技术中全方位或大入射角滤波器方面有重要的应用价值.     

实现全反射镜功能的光子晶体禁带特性

用传输矩阵法研究一维光子晶体G(AB)mC(AB)mH的能带特性及电场分布,结果发现:随着m的增大,在830—883nm波长范围内,光子晶体G(AB)mC(AB)mH禁带中的导带透射率逐渐趋于零,即光被禁止通过,实现全反射镜功能,且随着入射角的增大,光子晶体的禁带逐渐向短波方向移动。随着介质层G、H的折射率增大,光子晶体在833.6—879.1nm波长范围内出现大的禁带,亦实现全反射镜功能。光子晶体G(AB)5C(AB)5H内部存在很强的局域电场,即在光子晶体内传输的光,被强烈局域在禁带范围内,并在缺陷层C处达到极大值,而且随着m的增大,局域强度增强。这些光学传输特性,为研究、设计新型光学器件全反射镜、滤波器等提供指导。     

Complete photonic band gaps in one-dimensional ternary photonic crystals containing single negative materials

Complete photonic band gaps (PBGs) are found in one-dimensional ternary photonic crystals (1D TPCs) composed of an ordinary dielectric and single negative metamaterials. The proposed TPC gives omni directional PBG completely independent of polarizations dependent weekly on angle of incidence. Here the choice of different parameters of TPC is done in such a way so that it eliminates the Brewster's-angle transmission resonance, thus allowing a complete 3D PBG. It exhibits a photonic band or gap near frequencies where either the magnetic permeability or the electric permittivity of the metamaterial changes sign, whose width increases with the increasing angle of incidence. These result from the dispersive properties of the metamaterials and disappear for the particular case of propagation along the stratification direction. The results are discussed in terms of incident angle, layer thickness, dielectric constant of the dielectric material for TE and TM polarizations.