由单负材料组成的含有缺陷层的一维光子晶体结构中的缺陷模

用转移矩阵方法研究了由单负材料组成的含有缺陷层的一维光子晶体的透射特性.研究结果表明:当缺陷层存在时,会在原有光子晶体的禁带中出现缺陷模.缺陷模的位置随杂质层磁导率μ的增加从禁带的高频端向低频端移动;但随杂质层介电常数ε的增加却从禁带的低频端向高频端移动.利用该特性可以实现对光传播的动态调控. 关键词： 单负材料 光子晶体 缺陷模     

由单负材料组成的一维对称型光子晶体中的隧穿模

由电单负材料A和磁单负材料B构成了一维对称型光子晶体,数值计算表明其带隙中出现了一隧穿模. 材料层数增加,隧穿模宽度急剧变窄,而其位置不变.隧穿模的位置和宽度对入射角的变化都不太敏感. 材料的几何厚度减小,隧穿模的位置蓝移,而其宽度不变. μ_A, ε_B增加,隧穿模的位置红移,宽度减小. 利用隧穿模的以上特性可以实现对电磁波传播的动态调控.     

含单负材料的一维光子晶体的杂质模

采用转移矩阵的方法研究了含单负材料的一维光子晶体中掺入双层正常材料杂质时杂质模频率的变化问题.研究结果表明,杂质模频率与晶格常量的标度无关,且对晶格常量的涨落很不敏感.同时,通过增加杂质层厚度及层数发现,杂质模频率随之减小,而它的变化率随之增加,且杂质模消失在低频带边的速度会越来越快.     

单负材料一维光子晶体超窄带滤波特性研究

用传输矩阵法研究了单负材料一维光子晶体(ABD)m(CBA)n(ABD)m(CBA)n的透射谱。结果表明:当增加周期数m或D层介质厚度dD时,透射谱中的两个隧穿模越加锋锐,但所处频率位置不变;当增加周期数n或C层介质厚度dC时,透射谱中的两个隧穿模向中间靠拢趋于简并;当增加A层介质厚度dA时,透射谱中双隧穿模结构及位置无变化,而当增加B层介质厚度dB时,透射谱中的三模结构向低频方向移动,且逐渐消失;随着入射角θ的增大,透射谱中两隧穿模向禁带中心靠拢。利用单负材料光子晶体的透射谱特性可实现可调性和高品质的单、多通道超窄带滤波功能。     

含单负材料一维光子晶体局域场的研究

利用光学传输矩阵法对含单负材料的一维光子晶体的光学传输特性进行了数值计算.结果表明,选择合适参数,使得双缺陷满足ε和μ为零的条件,该缺陷就不会影响光子带隙.而传统的一维光子晶体,由于缺陷的加入,会在光子带隙中出现缺陷模.当满足ε和μ为零的条件时,双缺陷中传输矩阵相当于一个单位矩阵,相当于一层透明材料;当双缺陷厚度增加时,其中的场强度成指数增加,与放在真空中双缺陷相比,带边的场局域效应更加明显.     

单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的共振模

通过传输矩阵方法, 计算模拟了两种单负材料组成一维光子晶体双量子阱结构的透射谱. 研究发现: 由于双量子阱结构双阱之间的相互耦合作用, 共振模发生双重劈裂, 共振峰之间的距离可以通过调节双阱之间的耦合强度控制, 共振模的品质因子可以通过调节外部障碍光子晶体的周期数控制. 并且, 共振模受入射角和光偏振模式的影响都比较小, 适合全方向滤波. 当考虑两种单负材料不同损耗的影响时, 研究结果表明, 电损耗对低频处的共振模影响大, 而磁损耗对高频和低频处的共振模影响都比较大.     

四层单负材料一维光子晶体的透射谱特性

采用传输矩阵法研究四层单负材料一维光子晶体(AB)₂的透射谱特性,发现:透射谱中出现3个隧穿模,随着入射角的增大,3个隧穿模的位置几乎不随入射角变化;随着两种介质层厚度的增大,中央隧穿模的位置保持不变,左右两个隧穿模向中央隧穿模靠拢;随着电单负材料A的磁导率和磁单负材料B的介电常数的增大,3个隧穿模均向低频方向移动,相邻两个隧穿模之间的间隔在减小;三种情况中,3个隧穿模的半峰全宽最终均减小,品质因子均得到提高,其中介质层厚度的变化对隧穿模的半峰全宽和品质因子的影响最显著,入射角的变化影响最小。透射谱的这些特性,对设计新型光学器件具有一定的参考价值。     

一维光子晶体的缺陷模特性研究

利用传输矩阵法研究了缺陷层有吸收的一维光子晶体的带隙结构，在中心波长附近利用泰勒展开式的一级近似得到了缺陷模的高度和半峰全宽的计算公式.研究发现，消光系数、介质周期数和缺陷层厚度对缺陷模高度的影响较大，它们的增大均使缺陷模高度快速下降;而对半峰全宽的影响主要取决于介质的周期数，随周期数的增大缺陷模快速变窄.     

由单负材料组成的对称型一维光子晶体的偏振特性

利用传输矩阵法,讨论了由单负材料组成的对称型一维光子晶体的偏振特性。结果表明:入射角较小时,TE、TM两波隧穿模的中心位置基本相同。入射角θ增加,两隧穿模均向短波方向移动,且其半峰全宽变窄。入射角θ>20°时,两隧穿模的蓝移量增加,且TM波的移动量大于TE的,入射角越大,这一变化越明显。周期数N增加时,两隧穿模的位置保持不变,半峰全宽变窄;TM波隧穿模的透射率保持为1,而TE波的有所下降。介质的几何厚度增加时,两隧穿模均向长波方向移动,隧穿模的透射率保持不变。两介质几何厚度的变化量相同,两隧穿模的移动量也分别相同。     

单负材料一维光子晶体的透射谱特性

利用传输矩阵法研究了单负材料一维光子晶体(AB)m(ADBDB)n(AB)mA的透射谱,发现:透射谱中出现2个共振隧穿模,其位置和间距可由周期数m或n,以及介质层厚度d调节控制。改变m,会出现2个恒定间距的共振隧穿模;改变dA,共振隧穿模间距增大,且当dA≥25mm时,间距增大加剧;改变n,共振隧穿模逐渐趋于简并,当n≥6时,两隧穿模合二为一;改变dD,两共振隧穿模亦逐渐趋于简并,当dD≥20mm时,两隧穿模亦合二为一。这些特性可为利用光子晶体设计可调性高品质单通道、双通道滤波器提供参考。     

光子晶体局域缺陷模及耦合特性研究

用超胞平面波展开法计算了二维正方格子介质柱光子晶体缺陷模,系统模拟了在改变缺陷模数目和缺陷模之间的距离及在不同耦合方向等情况下的耦合特性。计算结果表明：局域缺陷模之间的耦合所产生分裂的缺陷模式频率随着缺陷之间的距离而发生变化．当缺陷之间距离增加时,缺陷模之间耦合变得越来越弱且奇模和偶模交替变化;随着耦合缺陷点数目增加,缺陷模在光子带隙内形成一个缺陷带;当平面波平行于缺陷模耦合方向入射时．可以同时激发奇模和偶模．当入射平面波垂直于耦合方向时．仅产生偶模;沿对角线方向耦合的定域化的缺陷模电磁场快速衰减使得那些方向每一个单谐振腔局域光场与它邻近的谐振腔不发生耦合,其本征频率与波矢无关。     

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。     

双缺陷模一维光子晶体的双光子吸收增强研究

采用真空镀膜工艺制备了具有762 nm和800 nm双缺陷模的含两个CdS缺陷层的TiO2/SiO2一维光子晶体,运用抽运探测技术测量了其双光子吸收。对于两个缺陷模,双光子吸收均得到很大的增强,其中缺陷模为800nm时的双光子吸收系数307 cm/GW要大于缺陷模为762 nm时的116 cm/GW,分别为单层CdS薄膜的48倍和18倍。这种双光子吸收的增强是由于光局域化导致一维光子晶体缺陷层内的电场强度增大而形成的。通过传输矩阵法计算了一维光子晶体的内部场强,发现800 nm波长光入射时缺陷层内的电场强度要大于762 nm波长光入射时的电场强度值。     

一维光子晶体缺陷模激光器的放大特性

光子晶体中引入缺陷后将形成缺陷模,这些缺陷模在增益介质中将被放大形成激光。基于麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型,用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了一维单缺陷光子晶体激光器中缺陷模的空间分布和频谱特性,以及这些缺陷模的放大特性,主要研究了缺陷层的厚度、晶体层数对缺陷模放大特性的影响。模拟结果显示,类似于传统激光腔的腔模,这些缺陷模能够被放大,形成激光。调整缺陷层的厚度、晶体层数等结构参量,将改变缺陷模的谐振,激射频率以及空间分布,这将直接影响激射阈值和饱和特性。增加晶体的层数,激光器的阈值将降低,饱和值将增加,但晶体层数增加到一定限度时,这种增减趋势变弱。模拟结果证明了有效层数的存在。     

单负材料组成光子晶体的多量子阱结构

通过传输矩阵法,对负介电常数材料和负磁导率材料组成一维光子晶体的多量子阱结构的共振隧穿特性进行了研究。结果表明,该结构中存在不受入射角和偏振模式影响的全方向共振隧穿模,其数量可以通过调节结构周期数来实现。共振峰的品质因子可以由外部障碍光子晶体的厚度比例调整。在研究单负材料损耗时,发现电损耗对低频处共振模影响大,而磁损耗对高频和低频处都有较大影响。     

一维受限反铁磁光子晶体的性质

采用传输矩阵法计算了一维受限反铁磁光子晶体的带结构和透射比.研究结果表明:除来源于结构周期性的光子带隙外,体系还存在一种频率带隙,与反铁磁材料的共振性质以及受限尺寸有关.适当调节反铁磁各向异性轴的方向和受限尺寸,在反铁磁共振频率处可以出现比大块反铁磁材料的带隙宽约15倍的频率带隙.一定条件下,在大块反铁磁材料带隙的频率区间上,一些电磁波模式是可以在受限光子晶体中传播的.最后分析了几种典型的透射谱,与带结构吻合.     

两类单负材料组成的一维光子晶体的光学特性研究

从光的电磁理论出发，导出了光在单负材料周期性结构的传输矩阵：利用光学传输矩阵法对由两类单负材料组成的一维光子晶体的光学传输特性进行了数值模拟和理论分析：结果表明，这种结构具有一类新型的光子带隙。与布喇格带隙不同的是，这类光子带隙不会随着品格常数的缩放而移动。     

具有缺陷模的氧化铝光子晶体的光学传感性能

采用在周期性氧化电压信号中插入恒压波形的方法成功制备了具有缺陷模的一维氧化铝光子晶体. 这种晶体的透射光谱研究表明,缺陷的厚度对缺陷模的透过率具有显著影响,当缺陷厚度在180 nm时,光子禁带内部出现透过率为55%、半峰宽约为18 nm的缺陷模. 该缺陷模能够对进入到氧化铝孔道内部的液体物质做出响应,其位置与液体的折射率线性相关.