等离激元能带结构与应用

近些年来,表面等离激元因其具有强局域、亚波长和高场强等特殊的光学性质而备受关注,在化学、生物、通信、纳米能源等各领域得到了广泛的研究.为了更好地控制表面等离激元的激发、传播和辐射,具有能带结构的周期性表面等离激元结构被广泛的研究.本文全面综述了具有等离激元能带的微纳结构、能带的产生机制与其特殊的性质,包括连续谱中的束缚态、波导、全带隙、拓扑等.在此基础上,基于等离激元能带设计所开展的一些应用也予以系统总结.最后,随着新材料的发现,本文还简要介绍了二维材料石墨烯等离激元能带和它的一些应用.     

异质结构光子晶体的能带特性研究

运用光学传输矩阵理论,研究了异质结构光子晶体的能带特性。结果表明,与周期结构相比异质结构光子晶体可以显著地拓宽光子晶体的光子带隙;在该文提出的结构中引入缺陷,与(1H1L)m(1H)n(1L1H)m光子晶体相比,产生缺陷模式光子带隙范围明显拓宽,适当调整缺陷层的数目、位置和厚度可得到多通道滤波;并研究了实际操作中随机误差带来的影响,随无序度的增大,其带宽基本不变。     

二维光子晶体能带结构温度特性研究

采用有限元法对二维光子晶体的能带特性进行了分析.当光子晶体所受的温度发生变化时,由于构成二维光子晶体介质的热光效应,引起介质的折射率变化,介质的热膨胀效应引起介质厚度发生变化,改变了光子晶体的晶格周期,使得光子晶体的能带结构发生变化.分析了温度变化对二维光子晶体的第一禁带和第二禁带结构特性的影响,各禁带的起始波长、截止...     

有耗色散光子晶体带隙结构的本征值分析新方法

为计算有耗色散光子晶体的带隙结构,提出了新的本征值分析方法.该方法借助于量子输运问题中的思想,在本征值方程的推导过程中进行了巧妙的变换,将复杂的非线性本征值问题转化为线性本征值问题:并利用频域有限差分(FDFD)方法直接求解线性本征值方程,最终得到有耗色散光子晶体结构的相关物理参数.与其他方法相比,该方法的最大特点为概念清晰、计算简便,最终节省了计算时间及所需内存量.利用该方法,对介质光子晶体结构进行模拟,结果与传统FDFD方法符合较好,从而验证了方法的有效性.此外,利用所提方法计算了有耗色散光子晶体结构的色散曲线,得到了表面等离子波激发的区域,进一步讨论了损耗对其色散曲线及本征模场的影响.相关结果对色散有耗光子晶体的研究具有一定的理论指导意义.     

一种类分形结构光子晶体的能带

用时域有限差分方法计算了一种类分形结构光子晶体的能带.数值计算结果表明,这种结构的光子晶体在介质柱、空气背景的情况下具有不完全带隙.而且,其能带结构随着级数的增大在整体地趋向于低频的同时,能带结构也趋于稳定.     

一维无序结构光子晶体的能带特性研究

通过引入结构参数a,深入研究了具有无序结构的一维二元光子晶体的能带特性。研究发现,无序结构有效拓宽了光子带隙,与均匀结构相比,拓宽率达到200％以上;无序一维光子晶体表现出从可见到红外很宽区域的高反射特性。本文还计算和分析了入射角和无序度D对光子晶体带隙的影响。     

两端有慢变结构的光子晶体的能带特性研究

研究了几种两端有慢变周期结构的光子晶体的能带特性,研究发现,通过在普能光子晶体两端添加适当的慢变周期结构,可以使光子晶体的光子禁带区向短波区或向长波区扩展,也可以同时向短波和长波两个区域扩展,与普通结构的光子晶体的光子禁带宽度相比,可以获得400％以上的禁带区宽度的拓展。     

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。     

应变对二维蜂巢晶格光子晶体能带结构的影响

基于平面波法,本论文对应变引起的二维蜂巢晶格光子晶体的能带结构进行了数值计算。选取的两个方向分别是锯齿型边界(zigzag)方向和扶手椅型边界(armchair)方向,在这两个典型方向上对二维蜂巢晶格进行了正负各20%的单轴应变。由于应变导致的对称性破缺,能带结构会有显著的变化。在沿锯齿型边界方向上,TE模带隙随着晶格被拉伸逐渐减小,TM模带隙在应变量大于16%时消失。对于沿扶手椅型边界方向,TE模带隙在压缩15%以上时逐渐减小,在其他应变量的情况下几乎保持不变;TM模带隙在应变量大于18%时消失。这些结果对于完善应力工程和设计二维光子晶体器件有重要的指导意义。     

含有理想导体的准分形结构光子晶体的能带

用时域有限差分方法计算了一组具有相似几何结构且包含理想金属材料的准分形光子晶体的能带.数值计算结果表明，这种准分形结构光子晶体具有绝对带隙，且带隙的宽度会 随着分形级数的增大而增大.同时，随着级数的增大，其能带在整体地趋向于高频端的同时，能带会被快速拉直而形成孤立的能级. 关键词： 光子晶体 带隙 分形     

二维三角格子光子晶体的带隙结构

用平面波展开法对二维光子晶体的电磁波理论及周期排列的电介质中电磁波的Bloch波解进行了详细的推导,计算出以GaAs为背景的空气柱构成的二维三角格子光子晶体的能带结构,研究了H偏振和E偏振带隙宽度随填充比f的变化.计算结果表明,当f=0.8时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,带隙位于0.458-0.529ωe(ωe=2πc/a,a为晶格常数,c为光速),带隙宽度为0.071ωe,相应的带隙波长范围为472.6-545.9nm,处于可见光波段.     

非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性研究

用时域有限差分法（Finite-Different Time-Domain,FDTD）中的电流密度卷积（Current Density Convolution,JEC）算法讨论了一维非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性,分析了非磁化等离子光子晶体的周期结构和等离子体参量对其禁带周期的影响.以微分高斯脉冲为激励源,用电磁波通过非磁化等离子体光子晶体后所得的透射系数来讨论非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性.结果表明,通过改变参量可以获得不同的禁带周期特性.     

Band gap structure of disordered chiral photonic crystals

Based on the non-symmetric transmission-line method, the band gap structure of disordered chiral photonic crystals (CPC) has been investigated. The influence of the chiral parameters, the disorder, the periods and the refractive index on the band gap structure has been discussed. It is found that the photonic band gap (PBG) in CPC is more obvious than that in the conventional photonic crystals, and the PBG can be increased by increasing the periods or the contrast of the refractive index of the two media. It is also found that the existence of disorder will influence the band edge of the PBG, and such influence will increase with the increment of periods or the contrast of the refractive index of the two media.     

Photonic Band Gap in Two-Dimensional Anisotropic Photonic Crystal with Rectangular Bars

Photonic band gap (PBG) in two-dimensional (2D) anisotropic photonic crystal (PC) constructed of rectangular bars has been numerically studied by using Transfer Matrix Method (TMM). The results show that the PBG is bounded by the lower band edge of TE wave and the upper band edge of TM wave. Its width simply increases with increasing of shape parameter . It reaches a maximum value as the structure degenerates into its 1D counterpart, due to the complete overlapping of gaps in TE and TM waves. The anisotropy in PC structure results in the transmission anisotropic property. One can design the PBG structures in different incident directions to match their application demand.     

二维三角晶格光子晶体三通道解波分复用器

为了实现结构紧凑、高透射率的解波分复用功能,在二维三角晶格光子晶体平板上设计了一个ψ形的三通道解波分复用器.通过在该光子晶体结构中引入合适的线缺陷和点缺陷,使得在光子禁带中出现了局域缺陷态.利用该缺陷态模式,可以控制波的传播和耦合,从而实现解波分复用的功能.通过用平面波扩展法和时域有限差分法对此解波分复用器进行了能带和传输特性分析,找到了具有合适缺陷态频率的光子晶体结构参量,实现了透过率高达80%的解波分复用功能.     

二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究

片上集成光源是未来光电子系统中光源发展的主要趋势,LED光源作为片上集成光源的主要缺点是其出光效率低,二维光子晶体是提高LED出光效率的有效手段。本工作设计了C波段LED的基本结构及参数,并采用时域有限差分法计算了不同阵列不同占空比的二维光子晶体能带结构,利用禁带理论选取提高C波段LED出光效率的最优二维光子晶体结构参数,结果表明三角排列空气孔二维光子晶体晶格常数a=500 nm且占空比R_p=0.44的光子晶体结构最优。     

Band gap studies of 2D photonic crystals with hybrid scatterers

Two-dimensional (2D) photonic crystals (PCs) of a square lattice with dielectric hybrid rods in air are proposed; these PCs consist of a square rod at the center of the unit cell and additional circular rods with their outermost edges against the middle of each side of the lattice unit cell. The band gap structures of PCs can be tailored and optimized by rotating the square rods and adding circular rods to the lattice unit cell. The variation of bands near the complete photonic band gap boundaries, due to some specific modes, is sensitive to certain structural parameters of the system. The results can be understood by analyzing the spatial energy distribution of the electromagnetic fields. Based on such a field analysis, a novel interpretative model is proposed. The PC can be fabricated easily and operated in the microwave region and, hence, should be suitable for applications in new microwave devices.