一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

二维色散和各向异性磁化等离子体光子晶体色散特性研究

采用平面波展开法和时域有限差分法研究了二维色散和各向异性磁化等离子体光子晶体的色散特性.当波矢在周期平面时,由于外加磁场的作用使TE模的色散曲线出现两个不同区域的平带,改变磁场的大小不但可以控制平带的位置,而且可以控制光子带隙的位置和大小.增大背景材料的介电常数,可以形成全方向光子带隙,随着背景材料介电常数的增加,带隙的中心位置降低但带隙宽度增加.当波矢偏离周期平面时,色散曲线不再分为TE和TM模,随着非周期平面波矢的增加,带隙位置上移,带隙宽度先增加随后基本保持不变.     

圆偏振光和线偏振光在正常色散材料中的时空自压缩

实验研究了圆偏振和线偏振高强度飞秒激光脉冲在正常色散材料中传输时的时空自压缩现象。实验中利用BK7玻璃作为正色散材料,比较研究了不同偏振入射情况下脉冲波形及频谱的变化规律。圆偏振光入射时,可以获得更短脉冲宽度的压缩脉冲和更窄的光谱宽度。在圆偏振光入射条件下,50 fs入射脉冲成功地自压缩到了19 fs,获得了大于2.5倍的压缩倍率。所以利用圆偏振光可以获得更短压缩脉冲,更大能量,更好光束质量的激光。     

单负色散材料光子晶体的带隙特性研究

针对单负色散材料构成的光子晶体的带隙特性进行了详细地研究.首先采用传输矩阵法分析计算了该结构的带隙产生与材料介电常数、磁导率色散特性间的关系,然后计算了带隙宽度和中心频率受入射场极化方式、入射方向、介质材料厚度比例缩放和厚度无序的影响程度,最后分析并对比了单负色散材料和普通材料构成的渐变周期光子晶体的传输特性.结果证明单负色散材料可以在光子晶体中引入一种受结构参数影响很小的带隙,同时和普通材料相比,在渐变周期结构中可以有效地拓宽Bragg带隙宽度,改善传输特性.     

含左手材料的一维三元准周期光子晶体带隙特性研究

选用LiF、Si和左手材料为介质构成了一维三元光子晶体,并在考虑其色散关系和几何厚度随机误差的基础上,利用传输矩阵法,计算了该光子晶体的带隙结构.结果表明:各介质厚度的变化率相同时,主带隙的相对宽度的变化率也相同,而折射率最大的介质厚度的变化对带隙绝对宽度的影响最大.光线入射角度的变化对主带隙的绝对宽度和相对宽度的影响较小.     

全固态光子带隙光纤中实现光谱可控的大功率超连续谱输出

目前产生超连续谱大多采用全内反射光子晶体光纤,光谱宽度达两个倍频程,但无法对其位置和宽度进行主动控制。全固态光子带隙光纤的带隙效应具有光谱滤波功能,通过设计全固态光子带隙光纤的带隙和带隙内色散特性,可产生特定范围内的超连续谱输出,同时色散特性受纤芯直径影响很小,有利于光谱可控的大功率超连续谱产生。根据1.064μm的抽运脉冲激光的需要,设计了全固态光子带隙光纤,并计算了第一带隙内的色散、损耗及非线性系数等参数。通过与波长有关的损耗将带隙效应引入到广义非线性薛定谔方程中,模拟了飞秒脉冲在全固态光子带隙光纤中传输的时域和频谱演化,得到带隙内超连续谱输出。比较了在有无带隙的情况下,飞秒脉冲的时域和频谱在带隙光纤中随传输距离的演化,分析了带隙效应对超连续谱产生的影响。     

斜入射角对二维正方形光子晶体带隙的影响

利用平面波法导出了光子晶体本征方程的矩阵形式,以此为基础计算了二维空气孔型正方形光子晶体在正入射时及斜入射时的带结构,并将带结构中混杂在一起的TE波和TM波的模式分离开来以分析斜入射角对带结构的影响.计算结果显示用电场E表示和用磁场H表示计算出来的结果完全一样,与电磁场是相互统一的结论完全吻合.研究还发现,TE波和TM波的第一带隙是完全分开的.随着波矢k的倾斜角度的增大,TE波的第一带隙逐渐减小并在波矢在（－1,0,1）平面内时完全消失.而TM波的带结构则随着波矢k的倾斜角的增大而变得平坦,带隙也是先随之增大,后又逐渐变小直至消失.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

局部高斯变迹布拉格光纤光栅中的调制不稳定性

利用激光脉冲在光纤光栅中传播时所遵守的相干耦合非线性薛定谔方程,研究了激光脉冲在局部高斯变迹布拉格光纤光栅中传输时,在反常色散区和正常色散区所产生的调制不稳定性。结果表明在反常色散区和正常色散区都能产生调制不稳定性;在反常色散区,当输入功率达到一定数值、传输距离一定时,当f=-1禁带之上能带底时,调制不稳定性增益的强度最强、宽度最窄;当远离能带底时强度减弱、宽度变宽;在正常色散区,在产生调制不稳定性功率区域,调制不稳定性存在并从给定值一直持续到无穷;并且,在反常色散区和在正常色散区,增益谱都受到局部高斯变迹函数的制约。     

Band gap characteristics of plasma with periodically varying external magnetic field

The reflectance characteristics of a one-dimensional periodically magnetized plasma structure is studied by using the transfer matrix method. It is found that this system has the band gap characteristics of photonic crystals, so we also name it a plasma photonic crystal. The results show that the gap location and gap width can be controlled by the incident angle. If the external magnetic field is small, the gap location and gap width change significantly with incident angle, while they change only slightly when the external magnetic field is sufficiently large. The collision frequency has little effect on the gap location and gap width while it makes the amplitude of reflectance and transmission decrease. This new type of plasma photonic crystal could have potential applications in designing tunable photonic crystal devices.     

用于高能啁啾脉冲压缩的光子晶体光栅的设计

 为了克服目前高能短脉冲装置压缩光栅的损伤阈值无法满足要求的问题,针对星光Ⅲ装置皮秒激光束的压缩器,设计了由熔石英材料构成的、具有较高损伤阈值的光子晶体光栅,该光栅由2维光子晶体和表面光栅结构两部分组成,具有高反射效率和强角色散的能力。计算结果显示:经过优化设计的光子晶体光栅在波长1 053 nm,57°～77°的入射范围内,-1级衍射效率超过了92%,而当入射角为71°时,在1 040～1 090 nm光谱范围内,-1级衍射效率超过92%,性能满足使用要求。     

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在理想条件下,为了研究等离子体参数、填充率、入射角度和介质层相对介电常数对一维三元磁化等离子体光子晶体的禁带特性的影响,用由传输矩阵法计算得到的TE波任意角度入射时的左旋极化波(LCP)和右旋极化波(RCP)的透射系数来研究其禁带特性。结果表明,仅增加等离子体碰撞频率不能实现禁带宽度的拓展,改变等离子体频率、填充率和介质层的相对介电常数能实现对禁带宽度和数目的调谐。改变等离子体回旋频率能实现对右旋极化波的禁带的调谐,但对左旋极化波的禁带几乎无影响。入射角度的增大使得禁带低频区域带宽变大,而高频区域带宽则是将先减小再增大。     

Compton散射对非均匀等离子体光子晶体光子带隙的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和时域有限差分法,对多光子非线性Compton散射对非均匀等离子体光子晶体光子带隙特性的影响进行了研究,提出将入射和散射光作为形成光子带隙的新机制,对电磁波方程进行了修正.结果表明:与Compton散射前相比,散射使电磁波幅值衰减更快|随等离子体密度增加,透射谱禁带宽度几乎无变化,其中心频率向高频方向有明显移动,向上的峰值有较大增加,反射谱向下的峰值有明显减小|随温度增加,透射谱禁带宽明显减小,向上的峰值略有减小,透射能量有所降低|随两种介质介电系数比增加,光子禁带数增加,且带隙间距显著减小.     

Hypersonic modulation of light in three-dimensional photonic and phononic band-gap materials

The elastic coupling between the a-SiO2 spheres composing opal films brings forth three-dimensional periodic structures which besides a photonic stop band are predicted to also exhibit complete phononic band gaps. The influence of elastic crystal vibrations on the photonic band structure has been studied by injection of coherent hypersonic wave packets generated in a metal transducer by subpicosecond laser pulses. These studies show that light with energies close to the photonic band gap can be efficiently modulated by hypersonic waves.     

Bragg反射齿型平面凹面衍射光栅性能研究

本文基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构, 提出利用一维光子晶体理论进行Bragg衍射光栅的设计并对其性能进行研究分析. 根据一维光子晶体理论, 建立了罗兰圆结构的凹面椭圆Bragg蚀刻衍射光栅, 研究了TE/TM模式下器件的分光特性以及入射角度改变对器件角色散造成的影响; 同时, 文中对比了空气介质型和金属铝线型椭圆Bragg蚀刻衍射光栅的光学性能. 研究结果表明: 选择合适的器件参数, 可以实现TE/TM模式下1.465-1.615 μm范围内波长衍射效率在95% 以上, 且空气介质型结构光栅的通道均匀性要优于金属铝线型结构光栅; 入射角在30°-60°范围内变化时, 相同入射角度下, TM模式下器件角色散大于TE模式. 基于Bragg衍射光栅设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG 波分复用器, 为未来密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

拼接光栅缝隙对激光脉冲光强分布的影响

以拼接光栅作为色散元件的激光脉冲压缩器中,要求脉冲压缩光栅表面光强分布均匀、能量输出效率高。利用菲涅耳-基尔霍夫衍射原理对脉冲压缩光栅表面光强和远场光强分布进行了研究。计算了拼接光栅缝隙宽度对光栅表面光强变化量和远场光强极大值的影响。在利特罗角附近入射时发现激光脉冲光强分布与拼接光栅缝隙宽度相关,得出了光栅拼接缝隙宽度应控制在0.5 mm以内。适当提高缝隙衍射效率能够改善光强分布均匀性和提高光能量输出,提出了对拼接缝隙采用两次重复曝光以提高其衍射效率的方法。     

基于Bragg反射面结构的衍射光栅设计与研究

基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构,本文提出利用一维光子晶体带隙理论进行Bragg反射光栅设计.通过光学仿真软件OptiFDTD对Bragg反射光栅的宽度及倾斜角度误差的仿真分析,发现Bragg光栅齿刻槽宽度变化在10%范围、倾斜角度10°以内不会引起Bragg光栅衍射效率的明显变化,说明Bragg反射光栅具有较高的工艺误差容限;根据一维光子晶体带隙理论,设计了一种罗兰圆结构的Bragg衍射双光栅结构模型,实现了两个频段之间的衍射分光,优化分析结果表明:当第一套光栅中Bragg周期层数为6、第二套光栅Bragg周期层数为10时,两频段波长的衍射效率均可以达到70%左右,明显高于传统深刻蚀的衍射光栅.基于本设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG波分复用器,为未来高效密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.