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.     

一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质(英文)

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

掺杂光子晶体光纤自发辐射与掺杂激活杂质的光增益透射谱研究

借助光子晶体中二能级原子的自发辐射理论证明缺陷态的局域场存在的必然性以及局域场基本性质,为研究光子晶体光纤掺杂自发辐射的内在规律提供了理论依据。且将自发辐射理论与数值模拟相结合,在缺陷介质中掺激活杂质时,研究了光子晶体光纤的掺杂局域场特征以及受激辐射增强和透射率大于1现象与光子带隙群速度异常和掺杂层复有效折射率成负的虚部之间的内在关系。由此说明光子晶体光纤的缺陷介质中掺入激活杂质时,光子禁带中能出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,较强的受激辐射放大。     

具有禁带展宽特性的一维光子晶体

提出了介质的光学厚度系数成圆形分布的一维光子晶体结构,与周期结构的光子晶体相比,该结构具有禁带展宽特性.同时讨论了起止膜层及膜层的光学厚度对该结构禁带特性的影响,优化出了在所选材料的介电常数所允许的频率范围内,具有完全禁带特征的光子晶体结构.     

2维光子晶体中的掺杂效应数值研究

 把平面波展开方法(PWM)用于2维光子晶体掺杂情况下透射特性的研究，计算得到了粗细不同的空气柱掺杂、相同半径不同介质柱掺杂、不同柱体形状掺杂情况下2维光子晶体的透射系数与入射光频率的关系曲线。结果表明2维光子晶体的禁带的宽度、位置、透过率与掺杂体半径、掺杂体介电常数、掺杂体柱体几何形状等因素有关，掺杂因素相差越大透射曲线变化越明显，特别是损耗介质的掺入更使得禁带可调要素增加。     

1维光子晶体缺陷模

 利用光学传输矩阵理论对掺杂1维光子晶体的缺陷模进行了研究。计算和分析了缺陷层折射率、缺陷层厚度与缺陷峰的关系。得出结论：随着缺陷层厚度的增大,缺陷峰波长呈线性增加,但是当缺陷层厚度增加到一定值时,缺陷峰的个数也将不断增加;缺陷层折射率也与缺陷峰波长有线性正比关系。从而提出了一种在微波领域测量介质折射率和介电常数的有效方法。     

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...     

反射型磁光多层膜隔离器的频率响应及宽容性研究

通过传输矩阵法分析了材料介电常数的变化对于单缺陷结构的磁光多层膜隔离器性能的响，并提出了一种多缺陷结构的磁光多层膜结构.同单缺陷结构相比，多缺陷结构的旋转角的频谱响应带宽有很大增加，对于材料介电常数变化的宽容性得到了一个数量级的提高.同时这种多缺陷的结构对于膜层厚度的变化和入射角度也有很好的宽容性. 关键词： 光隔离器 磁光效应 一维光子晶体     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

三角形复式晶格的光子带结构研究

设计了一种三角形复式晶格结构的光子晶体，在该类晶体中，电介质圆柱在空气中的排列存在Ｅ偏振和Ｈ偏振的光子带隙重叠区，称之为绝对光子带隙；而空气圆孔在电介质中的排列时，虽然Ｅ偏振和Ｈ偏振均分别存在光子带隙，但不存在绝对光子带隙。同时利用晶体的光子带结构研究了有效长波介电常数，所得结果与静电理论吻合。     

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.     

一维光子晶体的光学传输特性分析

采用等效F-P腔方法对一维光子晶体进行研究,计算并讨论不同周期数的一维光子晶体对光学传输特性的影响.计算结果表明,一维光子晶体具有光子禁带,表现为对光的高反射率;掺杂的一维光子晶体的光子禁带中央将出现频宽极窄的缺陷态,即光子局域,与复折射率和晶体周期数有密切的关系.所得结果与实验分析一致,证明了方法的有效性和实用性,并为光子晶体的设计提供依据.     

有效折射率微扰法研究单缺陷光子晶体平板微腔的性质

应用有效折射率微扰法结合二维/三维平面波方法研究了施主和受主缺陷型H1微腔的性质, 使用修正后的有效折射率可以准确地计算微腔的腔模频率, 与三维全矢量时域有限差分法的计算结果很相近. 对于施主型H1微腔, 以介质带边为匹配标准修正的有效折射率计算的微腔腔模频率误差最小, 而对于受主型H1微腔, 匹配标准则应设置为中间带. 有效折射率微扰法既可以将计算的维度从三维降到二维, 大大减少计算所需的计算机内存和时间, 又可以保持计算结果的准确性, 这对于光子晶体微腔的广泛应用具有非常重要的价值.