有限开敞介质光子晶体的模式及其带结构分析

针对光子晶体在行波管中的应用,对有限开敞介质光子晶体的模式和带结构进行了分析和计算. 分析表明,有限开敞介质光子晶体中所能存在的模式包括EH和HE混合模式,如果是二维光子晶体,还存在E模式,E₁模式即为无限光子晶体中的E极化. 计算表明,被用作行波管慢波电路的光子晶体可以不必拥有完全带隙,而只需要具有带间隙即可. 关键词： 光子晶体 本征值方程 行波管 带结构     

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。     

自旋梯状化合物Sr14(Cu1-yFey)24O41的拉曼散射谱研究

利用常规的固相合成法制备了三种Sr₁₄(Cu_1-yFe_y)₂₄O₄₁(y=0,0.03,0.05)多晶样品,其中y=0.03是单纯Fe³⁺掺杂,y=0.05是Fe³⁺和Fe²⁺混合掺杂.在100—1500cm^-1频移范围内测量了这三种样品的偏 关键词： 拉曼散射 电输运性质 自旋梯状化合物     

二维棋盘格子复式晶格的完全光子带隙研究

设计了一种棋盘格子复式晶格的二维光子晶体：在二维正方形格子中，把截面为正方形的柱子旋转45°，同时在每个原胞中心引入一个圆形截面的柱子构成的光子晶体结构. 用平面波展开计算棋盘格子复式晶格的完全光子带隙，结果表明：棋盘格子复式晶格的完全光子带隙的Δω/ω比值几乎是普通棋盘格子的5倍，完全光子带隙的个数也增加. 与其他复式结构相比较，发现其最佳的Δω/ω比值是一类粗锐复合结构光子晶体的2.1倍. 关键词： 二维光子晶体 复式晶格 完全光子带隙     

对称单负介质包层平面波导的模式特征

系统研究了负μ材料(MNG)作为包层的对称三层平板波导的传输特性. 研究发现,这种波导既支持快波的传播,又支持TE₀,TE₁模式的慢波传输. 其模式特性不同于左手介质波导和传统介质波导,导模存在的模折射率范围要比它们的大. MNG波导的TE₀快波模缺失,且TE_m模(m>1)的传播常数大于TM_m模的传播常数. TE_m模具有双模特征,且与波导的结构参数密切相关,导致波导中的净能流出现负值. 关键词： 单负介质 平板波导 快波与慢波 传播常数     

慢光在光子晶体弯折波导中的高透射传播

研究了慢光模式在SOI(silicon-on-insulator)材料光子晶体线缺陷弯折波导中的传输特性. 通过优化波导弯折处的结构参数,慢光模式在光子晶体60°与120°弯折波导中的透射率提高10倍以上,归一化透射率分别达到80%和60%以上. 为了进一步减慢光速,设计了新颖的高Q值耦合腔弯折波导结构,在归一化透射率达到75%的基础上,光波群速度低至c/170(c为真空光速). 研究结果对于增强光子晶体的慢光效应,提高光子晶体慢光器件的微型化和集成化都有一定的积 关键词： 光子晶体 慢光 弯折波导 透射率     

光子晶体微腔中高偏振单偶极模的研究

三角晶格排列的光子晶体微腔中的偶极模式是简并的,通过改变其晶格的对称性可以消除模式简并.晶格的整体形变破坏了晶格对称性从而影响光场的分布,同时还改变了电磁场的偏振分布.晶格整体形变使得简并的偶极模式分离成x极和y极偶极模式.通过计算分析发现分离后的模式具有良好的偏振特性,从而为实现单偏振光子晶体激光器提供了一种很好的途径.文中针对光子晶体薄板结构的微腔,主要计算了偶极模中x极偶极模式在不同拉伸时以及不同填充因子情况下的Q值,并分别计算了x关键词： 光子晶体 偶极模 品质因子 偏振度     

部分相干径向偏振光束传输中相干性研究

根据广义惠更斯理论及相干偏振统一理论, 研究部分相干径向偏振光束在自由空间中传输时, 不同参考点处复相干度随传输距离的变化规律. 研究表明, 部分相干径向偏振光束在自由空间中传输, 不同参考点处, 复相干度模值随距离的变化规律有所差别. 当参考点位于原点时, 随着传输距离增大, μ_xx模值及μ_xy模值分布形式不变, 分布范围增大; 当参考点位于x轴上时, μ_xx模值由单峰值向三峰两谷对称形式演化, μ_xy模值由单侧两峰向四峰四谷对称形式演化, 完成演化所需传输距离与参考点距离x轴中心的远近有关, 参考点距离x轴中心越近, 完成演化所需的传输距离越短; 当参考点位于y轴时, 随着距离增大, μ_xx模值分布形式不变, 分布范围增大, μ_xy模值由上侧两峰向四峰四谷对称形式演化, 演化所需传输距离与参考点距y轴中心远近有关, 参考点距y轴中心越近, 完成演化所需的传输距离越短; 当参考点位于其他位置时(非特殊位置), μ_xx模值及μ_xy 模值分布规律, 遵从各自参考点在x轴, y轴上的分布规律的结合即参考点位于其他位置时, μ_xx模值及μ_xy模值分别随距离变化逐渐演化成三峰结构、四峰结构.     

氘含量对DKDP晶体横向受激拉曼散射增益系数的影响

本文测量了不同氘含量K(H_1-xD_x)₂PO₄晶体(DKDP晶体)在Z(XX)Y散射配置下的自发拉曼散射光谱, 并详细分析了氘含量对与横向受激拉曼散射(TSRS)增益系数有关的拉曼频移、半峰宽和散射强度的影响. 然后通过与去离子水拉曼散射对比得出了不同氘含量DKDP晶体的TSRS增益系数. 结果表明随着氘含量的增加DKDP晶体的TSRS增益系数先减小至KDP晶体的40.1%, 后增大至68.9%; 本文认为掺氘后拉曼半峰宽的变化是引起TSRS增益系数随氘含量变化的主要原因.     

Cu对Zn1－xFexO稀磁半导体磁性的影响

采用水热法，在温度430 ℃，填充度35%，矿化剂为3 mol·L^-1KOH，前驱物为添加适量的FeCl₂·6H₂O的Zn(OH)₂，反应时间24h，合成了Zn_1-xFe_xO和Zn_1-xFe_xO：Cu稀磁半导体晶体.当在Zn(OH)₂中添加一定量的FeCl₂·6H₂O为前驱物，水热反应产物为掺杂Fe的Zn_1-xFe_xO多种形态晶体混合物，其个体较大的晶体中的Fe原子百分比含量为0.49%—0.52%.采用超导量子干涉磁强计测量了材料的磁性，晶体的磁化强度随温度下降而减小.在前驱物中同时加入适量比例的Cu化合物，合成了共掺杂Cu的Zn_1-xFe_xO：Cu，和Zn_1-xFe_xO相比，其室温下的磁化强度有明显的提高，且在室温下具有铁磁性. 关键词： 氧化锌 水热 稀磁半导体 晶体     

Measurement of object height in emission electron microscopy

The possibility of measuring the height of an object in emission electron microscopy (EEM) is investigated. If the specimen is characterized by an equipotential surface with the relief h(x,y), the image is equivalent to a specimen with an ideal flat surface and a corresponding distribution of the electric potential φ(x,y)=−E _ext h(x,y). As a consequence of the interaction with the microfields grad φ(x,y), the trajectories of electrons forming the image become deformed, which leads to characteristic image distortion. From EEM, images obtained at different voltages of the extractor V _ext,φ(x,y) can be derived and thereby h(x,y) is reconstructed. If the surface of the specimen is characterized both by a distribution of the potential and in addition by a relief h(x,y), then for the reconstruction one needs an additional EEM image taken at a different voltage of the extractor. The maximal sensitivity to microfields/relief is exploited when using the electron microscope in the mirror operation mode. We illustrate the performance of the method by means of a test pattern of Au on Si. For quantitative comparison, the same structure was investigated by atomic force microscope.     

Air waveguide in a hybrid 1D and 2D photonic crystal hetero-structure

An air waveguide in hybrid one-dimensional photonic crystal and two-dimensional photonic crystal slab hetero-structure is designed. Light propagating in air waveguide can be confined by two-dimensional photonic crystal slab in x-y plane and one-dimensional photonic crystal films in z direction. Theoretical calculations show that air waveguide in the hetero-structure can achieve some functions as 3D PhCs but could be made more easily than 3D PhCs.     

光子晶体波导中的孤子传输及其延迟特性研究

研究了正方晶格和三角晶格空气背景硅介质柱光子晶体线缺陷波导导模左带隙边缘处的亮孤子脉冲传播特性及其慢光延迟特性. 采用平面波展开法仿真分析了波导相邻两行介质柱大小r₁和r₂以及波导宽度D对孤子脉冲传输所需峰值功率P₀和延迟时间T_s的影响,总结了其变化规律. 通过调整波导结构得到了正方晶格和三角晶格优化波导结构,优化后,正方晶格结构波导P₀减小了81.17%,T_s增加了66.32%;三角晶格结构波导P₀减小了73.7%,T_s增加了67.63%,实现了孤子传输性能的大幅度优化. 关键词： 光子晶体波导 光孤子 峰值功率 延迟时间     

Coupling characteristics of high birefringence dual-core As2S3 rectangular lattice photonic crystal fiber

A type of As₂S₃ chalcogenide glass mid-infrared dual-core photonic crystal fiber has been proposed. The dual-core photonic crystal fiber (PCF) consists of two asymmetric cores. The high polarization property and the coupling characteristics have been studied by using the finite element method and mode coupling theory. Numerical results show that the birefringence at wavelength λ = 10 μm is up to 0.01386 and the coupling length can reach wavelength λ = 5 μm, 261 μm and 271.44 μm for x-polarized mode and y-polarized mode, respectively. It demonstrates that a 6.786-mm-long fiber can exhibit an extinction ratio of better than -10 dB and a bandwidth of 180 nm.     

金属光子晶体平板的超强透射及其表面等离子体共振

用全矢量的三维有限差分时域(finite-difference time-domain,简称FDTD)方法,研究了正方形单元结构金属光子晶体平板的增强传输效应以及局域性表面等离子体共振现象.这种增强效应来自于两个不同的等离子体共振机制：由长方形空气孔形成的局域波导共振以及由周期性结构引起的光子晶体共振效应.对于由长方形空气孔形成的局域波导共振模式,其等离子体波全部局域在整个长方形空气孔区域中.而由周期性引起的共振模式,其频率随着金属平板表面周期性的变化而变化,相应的等离子体波分布在长方形空气孔区域的两端.产生的表面等离子体都局域在长方形空气孔区域中,电场强度得到了显著的增强. 关键词： 光子晶体 金属平板 超强透射 表面等离子体     

新型THz波超平坦色散光子晶体光纤

设计出一种新型的渐变空气孔径THz波超平坦色散光子晶体光纤.应用时域有限差分方法(finite-difference time-domain,FDTD)计算光纤色散,所得结果表明渐变空气孔径光子晶体光纤比孔直径不变光子晶体光纤控制色散的能力更强;且当第三层与第四层空气孔直径相同时,孔直径渐变的光子晶体光纤的色散更趋于平坦,而当空气孔直径取d₁=0.85d₄, d₂=0.95d₄,d₃=d₄(d₁,d₂,d₃,d₄分别为包层从内到外空气孔的直径)时,此种光子晶体光纤可以在波长60—65 μm(4.61—5 THz)范围内将波导色散值控制在-0.1±0.3 ps/(km·nm)范围内,得到趋于超平坦色散的、具有很好的束缚THz波的能力和良好的损耗特性的新型THz波光子晶体光纤. 关键词： THz波光子晶体光纤 时域有限差分方法 超平坦色散     

Effective dielectric constant of two-dimensional photonic crystals in optical bands

By using the Fourier expansion method, we have developed an approach to calculate the effective dielectric index of a two-dimensional photonic crystal. The approach is very general: it can take into account various Bravais lattice structure as well as arbitrary spatial variation of the dielectric index. It has been found that near a nondegenerate frequency ω_n(Γ) at Γ point, the transverse magnetic (TM) mode is ordinary, as it is independent of the propagation direction, whereas in general the transverse electric (TE) mode depends on the propagation direction, it is extraordinary. Therefore, a two-dimensional photonic crystal can always be described by an effective dielectric index for TM mode near the nondegenerate frequency ω_n(Γ). However, the TE mode is much more complicated unless the lattice structure is highly symmetric. Moreover, a two-dimensional square photonic crystal has been identified as an effective birefringent crystal having two negative refractive indexes from the perspective of Snell's law.     

有效抑制光子晶体加载矩形谐振腔中模式竞争的方法

研究了光子晶体加载矩形谐振腔,针对传统光子晶体加载无法完全抑制模式竞争的问题,提出了特性阻抗和介质加载方法进行改进,完全实现了谐振腔的高次模式的单模工作,为抑制高次模式工作的谐振腔中模式竞争的问题提供了一种新方法.在此基础之上,采用解析方法以及高频仿真软件HFSS,设计了一个采用TM₅₃₀高次模式工作的传统光子晶体加载的谐振腔,进一步采用了该新方法对其进行改进,并深入分析了采用这种方法抑制模式竞争的物理原因.计算结果表明,新方法能有效抑制模式竞争,实现谐振腔的高次工作模式的单模工作. 关键词： 光子晶体 谐振腔 模式竞争 特性阻抗     

Fermionization,Convergent Perturbation Theory,and Correlations in the Yang–Mills Quantum Field Theory in Four Dimensions

We show that the Yang–Mills quantum field theory with momentum and spacetime cutoffs in four Euclidean dimensions is equivalent, term by term in an appropriately resummed perturbation theory, to a Fermionic theory with nonlocal interaction terms. When a further momentum cutoff is imposed, this Fermionic theory has a convergent perturbation expansion. To zeroth order in this perturbation expansion, the correlation function E(x,y) of generic components of pairs of connections is given by an explicit, finite-dimensional integral formula, which we conjecture will behave as