基于传输线技术的零平均折射率(zero-n-)带隙的实验研究

基于传输线方法,制备了含左手材料和右手材料的一维光子晶体.通过仿真软件ADS的模拟和矢量网络分析仪的测量,研究了光子晶体的传输特性.实验结果表明:由左手材料和右手材料构成的一维光子晶体具有零平均折射率(zero-n-)带隙,这一带隙处于左手通带和右手通带之间.zero-n-带隙分别由零平均介电常量和零平均磁导率决定,进而对晶格尺度不敏感.     

基于传输线技术的零平均折射率(zero-)带隙的实验研究

基于传输线方法,制备了含左手材料和右手材料的一维光子晶体.通过仿真软件ADS的模拟和矢量网络分析仪的测量,研究了光子晶体的传输特性.实验结果表明:由左手材料和右手材料构成的一维光子晶体具有零平均折射率(zero-)带隙,这一带隙处于左手通带和右手通带之间.zero-带隙分别由零平均介电常量和零平均磁导率决定,进而对晶格尺度不敏感.     

零平均折射率带隙中离散模的实验研究

通过实验研究了零平均折射率带隙中离散模的传输特性.零平均折射率带隙存在于左手材料与右手材料交替形成的一维光晶体中.在实验中,左手材料与右手材料分别由左/右手复合传输线和右手复合传输线实现.实验结果表明,左手材料与右手材料的色散特性使离散模并没有按照理论上期待的"单点频"传输,而是彻底地覆盖了零平均折射率带隙.由于左手材料在本质上是色散的,因此该实验结论普遍适用于零平均折射率带隙中的离散模,即离散模的出现会使零平均折射率带隙消失.     

平均折射率为零的光子晶体中缺陷模频率特性的实验研究

利用传输线技术制备了左手材料,将左手材料与正常材料交替排列组合成平均折射率为零的一维光子晶体.该光子晶体在特定频段具有光子带隙,带隙不随晶格尺度和入射角的变化而改变.通过掺杂技术破坏光子晶体的周期性,可在禁带中引入缺陷模,这种结构的光子晶体可用于实现滤波器小型化和超强耦合.研究表明,通过调节缺陷的厚度可以控制缺陷模的频率,这为调节频率提供了一种方法.实验与仿真结果相符. 关键词： 左手材料 复合左右手传输线 光子晶体     

含负折射率材料的一维光子晶体禁带特性

运用光学传输矩阵和色散关系理论,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禁带特性,发现了一种新型带隙—零平均折射率带隙。与传统的Bragg带隙相比,只要两种介质厚度的比例保持不变,这种零平均折射率带隙的边缘频率,与光子晶体的晶格常数无关,并利用一个等效的传输线模型得出了带隙边缘频率的数学表达式,解释了这个性质。     

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。     

折射率连续周期分布一维光子晶体的带隙分析

微分传输矩阵法(DTMM)可以解析求解一维非均匀介质中的波动方程。用该方法,对几种折射率连续且周期分布的一维光子晶体进行了带隙分析。结果表明,折射率连续变化的一维周期结构也具有明显的带隙特征,折射率变化越平缓,光带隙的宽度越小。对于折射率正弦变化的一维光子晶体,其折射率变化得越剧烈,光子晶体的中心频率越小,带隙越宽;同时,折射率的平均值越大,中心频率越小,带隙越窄。由于材料的物理特性都是连续变化的,同样可以把结构推广到一维周期性功能梯度材料。     

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.     

级联一维光子晶体全方位反射器的带宽最大化

理论研究了由级联一维光子晶体构成的光子异质结构的全方位透射(反射)特性.其中各级联光子晶体的高低折射率介质相同、光学厚度比不同.以两个光子晶体级联的结构为对象,利用传输矩阵方法系统研究了不同偏振态光在不同入射角时光子帯隙的变化,得出实现全方位光子带隙的最大展宽条件,即前一光子晶体的帯隙上限要和后一光子晶体的带隙下限在最大入射角时重合.分别给出了满足和不满足该最大展宽条件的级联结构的全方位带隙参量,通过对全方位带隙宽度的比较说明了满足最大展宽条件的级联结构具有最大的全方位带隙宽度.     

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.     

Photonic band gap from a stack of positive and negative index materials

Layered heterostructures combining ordinary and negative refractive index materials are shown to display a new type of photonic band gap corresponding to zero (volume) averaged refractive index. Distinct from band gaps induced by Bragg scattering, the zero-n; gap is invariant upon a change of scale length and is insensitive to disorder that is symmetric in the random variable. A metallic structure that exhibits such a band gap is explicitly designed, and its properties are calculated with accurate finite difference time domain simulations.     

Photonic crystals and microlasers fabricated with low refractive index material

Although the investigation on photonic band gap materials has been done more than two decades, it is still a big challenge to fabricate three-dimensional photonic crystal (PC) possessing wide band gaps in visible range. In this article, we have reviewed recent progresses on fabricating the PC with low refractive index material in visible range. In contrast to the material with large refractive index, it is cheap to use low refractive index material in fabricating the PC and will be greatly beneficial for future industrial productions. The holographic method to fabricate such a PC has been introduced, applying it to the design of the microlaser has also been discussed.     

光子晶体中基于有效折射率接近零的光束准直出射

利用平面波展开法(PWM)和时域有限差分法(FDTD)研究了二维正方格子光子晶体靠近禁带边沿附近频率光波的传输特性.研究发现,若有效折射率接近于零,可出现光束从晶体表面准直出射的现象,且光束的出射方向只与晶体表面的取向有关,而与晶格取向无关.这种现象与自准直现象有很大不同.     

含负折射率材料并具有零平均折射率的半无限一维光子晶体的表面态

用传输矩阵方法和Bloch定理,从理论上分析以色散介质为背景,由正负折射率材料组成的半无限一维光子晶体的表面态,发现以色散介质为背景,在满足平均折射率等于零的情况下,第一层厚度变化时,表面态将会在较大频率范围内显著变化。讨论了同一入射角度下不同频率的表面态的电场分布情况,结果表明：远离带边的表面态局域长度较小。     

混合准周期异质结构的带隙补偿与展宽

基于一维光子晶体异质结构的多帯隙交叠补偿思想,提出了一种新颖的混合准周期级联结构,用于扩大全方位光子带隙.该全方位反射器结构由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成,研究表明,相比单种准周期结构,其全方位光子带隙宽度有显著提高.系统研究了结构参数(如周期数、阶数、介质折射率和厚度)对该结构光子带隙的影响,通过与周期结构带隙特性的比较,分析了准周期结构易于实现多带隙交叠的原因,为更复杂带隙结构的补偿和展宽奠定了设计基础.     

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.     

光折变材料的带隙结构研究

利用光子晶体的概念和时域有限差分方法计算了当光折变材料的空间折射率呈一维正弦变化时其内部的带隙结构情况,表明在光折变材料中存在极窄的光子带隙。最后讨论了折射率(n)、折射率调制幅度(△n)、周期长度(D)及周期数(N)对光子带隙的影响。     

Photonic band gap of one-dimensional periodic structure containing dispersive left-handed metamaterials

Band structures of one-dimensional(1D)photonic crystals(PCs)containing dispersive left-handed metamaterials are studied theoretically.The results show that the structure possesses a type of photonic band gap originating from total internal reflection(TIR).In contrast to photonic band gaps corresponding to zero average refractive index and zero phase.the TIR gap exhibits sharp angular effect and has no polarization effect.It should also be noted that band structures of transverse electric(TE) and transverse magnetic(TM) mode waves are exactly the same in the PCs we studied.     

由高反射结构组成异质结中的高透射界面模理论和实验研究

通过对两种异质结(金属-光子晶体异质结和光子晶体异质结)进行理论计算发现,由两种高反射材料(如负介电常数材料、光子晶体禁带材料)构成的异质结中,存在高透射的局域界面模,并且这种局域界面模的存在与零阻抗条件相关.同时,实验制作了一种金属-光子晶体异质结结构,并在近红外波段观察到该局域界面模的存在.     

Photonic crystals and microlasers fabricated with low refractive index material

Although the investigation on photonic band gap materials has been done more than two decades, it is still a big challenge to fabricate three-dimensional photonic crystal (PC) possessing wide band gaps in visible range. In this article, we have reviewed recent progresses on fabricating the PC with low refractive index material in visible range. In contrast to the material with large refractive index, it is cheap to use low refractive index material in fabricating the PC and will be greatly beneficial for future industrial productions. The holographic method to fabricate such a PC has been introduced, applying it to the design of the microlaser has also been discussed.