结构参数对聚苯乙烯光子晶体能带结构的影响

本文讨论了平板式光子晶体能带结构的计算方法,并利用平面波展开法研究了聚苯乙烯材料制作的平板式光子晶体的能带结构与晶格类型、填充比两个主要结构参数之间的关系.计算给出了晶格类型及填充比发生变化时光子禁带的变化规律.研究发现,当填充比(r/a)介于0.1～0.5之间时,四边形晶格结构和六角形晶格结构奇模和偶模均存在光子带隙,蜂窝状晶格只有偶模存在光子带隙,而且只有当填充比r/a＞0.46时才出现光子带隙.本文所得结果对聚苯乙烯光子晶体的制作和进一步应用研究奠定了理论依据.     

结构参数对聚苯乙烯光子晶体能带结构的影响

本文讨论了平板式光子晶体能带结构的计算方法，并利用平面波展开法研究了聚苯乙烯材料制作的平板式光子晶体的能带结构与晶格类型、填充比两个主要结构参数之间的关系．计算给出了晶格类型及填充比发生变化时光子禁带的变化规律．研究发现，当填充比（r／a）介于0．1～0．5之间时，四边形晶格结构和六角形晶格结构奇模和偶模均存在光子带隙，蜂窝状晶格只有偶模存在光子带隙，而且只有当填充比r／a〉0．46时才出现光子带隙．本文所得结果对聚苯乙烯光子晶体的制作和进一步应用研究奠定了理论依据．     

基于光纤-胶体晶体的液体折射率传感实验研究

制备了胶体晶体,并利用胶体晶体的光子带隙对折射率传感进行了实验研究。从理论上分析了胶体晶体光子带隙中心波长的变化与折射率的关系。通过设计模具制备了胶体晶体-光纤结构,用扫描电镜对胶体晶体的表面进行了观察,并测量了胶体晶体的光子带隙的位置。结果表明胶体晶体的光子带隙的测试结果与理论分析相一致。设计了实验装置,利用光纤间的耦合对胶体晶体的光子带隙的变化进行了测试和分析。结果表明SiO2胶体晶体光子带隙的中心波长为1445.5nm,且在不同折射率液体环境下,其中心波长发生移动,能够形成新的传感机理。对胶体晶体在液体传感上的应用进行了探索。     

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。     

共轭荧光分子光子晶体发光材料的可控制备与性能研究

利用自组装技术结合溶胶-凝胶法成功制备了高度有序且光子带隙可控的聚甲基丙烯酸甲酯蛋白石光子晶体样品,并对其表面形貌、透射光谱和发射光谱进行了表征,研究了光子带隙与微球直径、带隙位置与入射光角度之间的依赖关系。     

磁导率对二维蜂窝结构光子晶体带隙的影响

利用平面波展开法对二维六角晶格结构磁性光子晶体的带隙特性进行了研究,给出其能带结构分布图,并与非磁性介质构成的光子晶体进行了比较.结果表明,由磁性材料构成的光子晶体更易出现带隙,磁导率对带隙结构影响很大.空气背景磁性散射子情况,磁导率增加较小时,二个绝对光子带隙宽度逐渐减小,直至消失.继续增加磁导率,在较低频率范围内出现一个绝对光子带隙,占空比逐渐加大,且最佳填充系数基本保持不变.磁性背景空气散射子,类似地在较低频率范围内也出现了一个绝对光子带隙.磁性背景非磁性散射子与空气背景磁性散射子情况相似.     

紫外线波段一维Ag/MgF_2光子特性的理论研究

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型,以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响,并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明,与其他金属光子晶体的研究结果相比,该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙,属于不完全带隙的一维光子晶体,适用于制作紫外线波段的光学反射镜。     

Compton散射下强激光等离子体光子晶体中光子带隙构的新模型

应用光流线量子论和多光子非线性Compton散射模型,研究了强激光等离子体光子晶体中光子带隙产生的机制,提出将入射光和Compton散射光形成的耦合光流线作为在强激光等离子体光子晶体中形成光子带隙结构的新模型,给出了耦合光流线满足的基本方程。结果表明,Compton散射使强激光等离子体光子晶体中产生了较深的折射率势阱,改变了在这个势阱中运动的耦合光能量的量子化分布几率,从而改变了光子带隙的位置和结构。     

含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究

利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究. 关键词： 超导光子晶体 传输矩阵法 特异材料 光子带隙     

一维光子晶体光学特性的复平面波展开法研究

应用复平面波展开法对一维光子晶体的光子带隙, 透射特性进行了分析. 通过对色散关系和透射系数的数值计算发现一维光子晶体周期结构个数以及折射率分布对光学晶体透射系数以及光子带隙的影响. 对于含有整数个周期结构的光子晶体有共振点出现在光子帯隙外的频率范围内, 共振点的个数比周期结构个数少1. 带隙倾斜斜率等于折射率的比值. 折射率比值越大, 带隙的范围越大.     

二维光子晶体负折射现象条件及特性研究

结合光子晶体带隙图和等频率线图分析了二维光子晶体中出现负折射现象的条件,得出了负折射现象出现的频率范围.采用有限时域差分法模拟了光在光子晶体界面和内部的传输行为,验证了以上理论所给出的负折射出现的频段,观察到了明显的负折射现象.比较了不同介质、不同晶格结构光子晶体中不同频率的负折射行为.提出一种新结构的六角型二维三角晶格光子晶体分光镜的模型.     

Fabrication of three‐dimensional photonic crystals in quantum‐dot‐based materials

Controlling spontaneous emission (SE) is of fundamental importance to a diverse range of photonic applications including but not limited to quantum optics, low power displays, solar energy harvesting and optical communications. Characterized by photonic bandgap (PBG) property, three‐dimensional (3D) photonic crystals (PCs) have emerged as a promising synthetic material, which can manipulate photons in much the same way as a semiconductor does to electrons. Emission tunable nanocrystal quantum dots (QDs) are ideal point sources to be embedded into 3D PCs towards active devices. The challenge however lies in the combination of QDs with 3D PCs without degradation of their emission properties. Polymer materials stand out for this purpose due to their flexibility of incorporating active materials. Combining the versatile multi‐photon 3D micro‐fabrication techniques, active 3D PCs have been fabricated in polymer‐QD composites with demonstrated control of SE from QDs. With this milestone novel miniaturized photonic devices can thus be envisaged.     

Resonant modes in photonic multiple quantum well structures with single-negative materials

A type of photonic multiple quantum well (PMQWs) structure made of two different photonic crystals (PCs) with two kinds of single-negative materials is investigated. It is demonstrated by transfer matrix method that omnidirectional resonance modes are generated. The number of the resonance modes can be controlled by adjusting the periodic structure of the constituents. The resonance tunneling modes are weak dependence on incident angle and the scaling of the barrier photonic crystals. When the losses are taken into account, the effects of the losses coming from ENG media and MNG media on the resonance modes are striking difference.     

Control of photonic band gaps in one-dimensional photonic crystals

The photonic band gaps in one-dimensional photonic crystals (PCs) are theoretically investigated. A new method to broaden the photonic band gaps is introduced. Based on the similar method, a kind of photonic crystals is constructed to generate photonic band gaps with proportioned central frequencies. This technology can be used for designing nonlinear PCs for harmonic generation.     

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.     

空气环型二维光子晶体完全带隙特性研究

采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙. 关键词： 空气环型二维光子晶体 完全带隙 平面波展开法     

Study on the anisotropic photonic band gaps in three-dimensional tunable photonic crystals containing the epsilon-negative materials and uniaxial materials

In this paper, the properties of anisotropic photonic band gaps (PBGs) for three-dimensional (3D) photonic crystals (PCs) composed of the anisotropic positive-index materials (the uniaxial materials) and the epsilon-negative (ENG) materials with body-centered-cubic (bcc) lattices are theoretically studied by a modified plane wave expansion (PWE) method, which are the uniaxial materials spheres inserted in the epsilon-negative materials background. The anisotropic photonic band gaps (PBGs) and one flatbands region can be achieved in first irreducible Brillouin zone. The influences of the ordinary-refractive index, extraordinary-refractive index, filling factor, the electronic plasma frequency, the dielectric constant of ENG materials and the damping factor on the properties of anisotropic PBGs for such 3D PCs are studied in detail, respectively, and some corresponding physical explanations are also given. The numerical results show that the anisotropy can open partial band gaps in such 3D PCs with bcc lattices composed of the ENG materials and uniaxial materials, and the complete PBGs can be obtained compared to the conventional 3D PCs containing the isotropic materials. The calculated results also show that the anisotropic PBGs can be manipulated by the parameters as mentioned above except for the damping factor. Introducing the uniaxial materials into 3D PCs containing the ENG materials can obtain the larger complete PBGs as such 3D PCs with high symmetry, and also provides a way to design the tunable devices.     

镧系氧化物光子晶体自组装与自发辐射调制

光子晶体是介电常数(折射率)随光波长大小周期性巨大变化的人工晶体。光子晶体的诞生使人类操控光子由梦想成为现实。光子晶体结构对置于光子晶体中的荧光客体自发辐射速率和荧光强度具有重要的调制作用。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似,光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时,由于存在布拉格散射而受到调制,电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。本文将在综述这一领域国际上的重要研究进展基础上,重点介绍本课题组在镧系氧化物三维晶体的自组装与光子带隙对稀土离子自发辐射调制方面的研究成果。     

基于量子阱效应的光开关

把三块各带有一个缺陷的光子晶体结合起来,如果中央晶体的缺陷模处在两侧晶体的禁带中,缺陷模内的光波会受到两侧晶体的阻碍并被局域在中央晶体内,形成量子阱结构;若一侧晶体的缺陷模被移动到中央晶体缺陷模处,则只有一侧晶体阻碍在中央晶体缺陷模内传播的光波,量子阱效应完全消失,光的传输受到最大程度的阻碍.这种结构可同时具有窄带滤波器和光开关的功能,据此提出了一种高效的、灵敏的光开关的设计.采用传输矩阵法计算了一维光子晶体的透射谱和场分布.     

Polarization-independent omnidirectional band gaps in heterostructures containing negative-index materials

We proposed a type of heterostructure by combining two photonic crystals (PCs) consisting of alternating negative-index materials and positive-index materials layers. It is demonstrated by transfer matrix method that the proposed structure has a polarization-independent omnidirectional band gap (OBG), which is independent of the incident angle for both TE and TM polarizations. Compared to a single PC, the frequency range of the OBG in a heterostructure can be notably enlarged. Such a structure has potential applications in improving planar microcavities, optical fibers, and Fabry-Pérot resonators, etc.