波状结构二维光子晶体近场亚波长成像的研究

研究了波状结构二维光子晶体(2DPC)在红外波段的负折射近场成像,对其等频面进行了分析,指出波状结构二维光子晶体无法实现负折射远场成像的原因在于缺少与入射介质等频面相匹配的光子晶体圆形等频面,所用的矩形等频面使波状膜层二维光子晶体不可避免地具有各向异性特征,进而将成像限制在近场范围内。采用时域有限差分(时域有限差分)方法模拟了不同厚度的波状结构二维光子晶体近场成像效果,当厚度为两倍栅格常量时,单光源的成像分辨力为0.28λ,达到亚波长分辨效果。分辨力随着光源逐渐远离近场范围而降低,而像点的位置基本不随光源距离和光子晶体厚度的变化而改变。双光源的成像模拟进一步验证了波状结构二维光子晶体的近场亚波长成像能力,分辨力达到0.35λ,但成像质量受光子晶体厚度变化的影响较大。     

近红外波段硅基金属光子晶体平板的亚波长成像特性

利用时域有限差分方法,理论上研究了由正方形金属嵌入背景材料硅中组成的二维正方晶格和三角晶格光子晶体的亚波长成像特性。采用Drude模型描述金属银的色散特性,在近红外波段该模型可以很好地描述金属的实际介电常数。通过结构参数的设计,在上述两种结构中实现了波长在1550nm附近的亚波长成像,并且发现金属对入射光的吸收使得成像位置处的光强稍有降低,但是对于光子晶体亚波长成像的质量并无影响。相对于通常的硅基空气孔型光子晶体亚波长成像器件,该种硅基金属型全固态光子晶体结构更加稳定,因而可以更好地在复杂全光集成回路中加以实际应用。     

等效折射率为非-1时的亚波长成像

本文采用硅柱子周期性排列构成六角结构光子晶体,用平面波展开方法和FDTD方法研究表明,此结构光子晶体存在等效折射率接近-1的频率区域.在等效折射率趋于-1但不等于-1时,此光子晶体平板结构超透镜能形成一个非近场的像.模拟还发现,此结构平板光子晶体等效折射率为非-1时,可以亚波长成像. 关键词： 负折射 光子晶体 亚波长 成像     

基于一维金属光子晶体平凹镜的柱矢量光束亚波长聚焦

柱矢量光束具有柱对称性的偏振分布,其独特的光场分布和聚焦特性被广泛应用于光学微操纵及光学成像等领域,并迅速向亚波长尺度拓展.通常,亚波长尺度聚焦采用等离激元透镜实现,但存在光场调控的偏振态局限性.而借助光子晶体的负折射效应,不仅能够实现亚波长聚焦或成像,而且应对正交偏振态同时有效.采用对电磁波具有更强调控能力的一维金属光子晶体结构,计算得到的能带结构和等频曲线表明其负折射效应在特定波段对正交偏振态同时有效.在此基础上设计出一维金属光子晶体柱对称平凹镜结构,通过有限元算法模拟显示了可见光波段的径向和旋向偏振光的同时亚波长聚焦行为.进一步的结果表明,改变柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地调节焦场空间分布及偏振分布特性.所提出的平凹镜结构能够实现对任意偏振组分的柱矢量光束的亚波长尺度聚焦,且该结构的设计对于各波段情况均有参考意义.该研究结果对小尺度粒子的光学微操纵、超分辨率成像等相关领域具有潜在的应用价值.     

波状结构二维光子晶体的自准直特性及亚波长成像的研究

利用平面波展开方法计算了波状结构二维光子晶体(2DPC)的等频面，对等频面内矩形轮廓的等频线进行研究，提出了波状结构2DPC的自准直特性，运用时域有限差分(FDTD)方法模拟了波状结构2DPC在不同入射角情况下对所入射高斯光束的自准直作用.将波状结构2DPC的自准直特性运用到近场亚波长成像，模拟了波状结构2DPC的自准直亚波长成像效果，单光源的成像分辨率达到0.28λ，且随着光源逐渐远离近场范围而降低. 关键词： 光子晶体 自准直 等频面 亚波长成像     

二维空气环型光子晶体的负折射成像特性

采用平面波展开法和时域有限差分法研究了由空气环组成的二维三角晶格光子晶体平板的负折射成像特性.研究结果表明对于外半径为 0.4 a,内半径 0—0.13a的空气环型光子晶体,第二能带中归一化频率为 0.3 的电磁波可以实现有效折射率为-1的负折射成像.通过光子晶体有效折射率的计算,得到了有效折射率为-1的电磁波频率随空气环内径由0—0.2 a变化的规律,并由对应等频曲线的变化解释了结构参数对光子晶体平板成像的影响. 关键词： 光子晶体 空气环 负折射 等频曲线     

二维蜂窝格子光子晶体的远场成像特性及界面对成像质量的影响

利用有限时域差分法研究了一种二维蜂窝格子光子晶体的远场亚波长成像特性，发现和折射率为-1时的负折射成像规律符合得很好.但是由于晶格结构本身的特性，入射光以大角度入射时，这种结构的耦合效率很低，影响了像的强度和质量.通过适当改变界面上介质柱的半径的方法可以提高耦合效率，进而有效提高成像的质量和强度.     

液晶光子晶体的负折射特性研究

可调光子晶体由于其潜在的应用价值成为现今光子晶体研究中的一个热点.本文提出了通过光诱导液晶来调节光子晶体负折射效应的方法,采用平面波展开法、等频图分析法和推广的斯涅尔定理分析了二维液晶正方晶格光子晶体负折射的可调节性.提出了一种新型的液晶光子晶体结构, 数值模拟结果表明:通过偏振光改变液晶指向矢可以调节该液晶光子晶体的负折射.与电场调制方法相比,该光控液晶取向技术具有响应速度快、结构简单的优点.这种可调光子晶体可用于制作光控路由或者应用于全光网络.     

一维金属-介质周期结构的自准直特性和亚波长成像

计算了一维金属-介质周期结构(1DMD)的色散曲线，利用传输矩阵法模拟了该结构对入射高斯光束的自准直作用，着重讨论了金属层吸收的影响；对该结构在半波长厚度时近场成像特性进行了分析，单光源的成像分辨率为λ/8，达到亚波长分辨效果；分辨率随着光源逐渐远离近场范围而降低. 双狭缝的成像模拟进一步验证了1DMD结构的近场亚波长成像能力，分辨率达到λ/3.     

光子晶体表面结构的改变对成像的影响

负折射率材料因为其奇异的特性成为广泛研究的对象,尤其是光子晶体平板的完美成像.硅材料以其良好的物理性质成为当今集成光学领域中应用最广的材料之一.本文以硅介质柱在空气中周期性排列构成六角结构的光子晶体平板为例,运用平面波展开法进行光子晶体能带计算并运用时域有限差分法模拟改变光子晶体平板成像并讨论表面结构对成像的影响.光子晶体平板等效折射率为-1时,通过改变上下侧最外层介质柱的半径或是侧向移动最外层介质柱发现:当光子晶体平板表面结构发生改变时光子晶体平板仍能成像但像点强度发生变化.当光子晶体平板表面结构的改变在一定范围时,所成像的位置发生改变且位置变化符合光子晶体成像经典的Veselago关系;当光子晶体表面结构的变化超过该范围时,所成像与物的相位发生反相同时像点位置发生"巨变",此时Veselago关系已不成立.数值模拟表明:光子晶体平板表面结构的改变可以有效地改变该光子晶体平板所成像的强度、位置和相位.     

波状结构二维光子晶体负折射现象的研究

结合波状结构二维(2D)光子晶体(PC)与入射介质两者的等频面结构分析了PC内部的负折射现象，采用时域有限差分(FDTD)方法模拟了高斯光束在波状结构2DPC内的负折射，分别得到了折射角/入射角以及折射角/入射波长之间的关系曲线，当入射角为45°，入射波段在1485—1530nm区域时，波状结构2DPC的负折射角与入射波长近似呈线性变化关系，并带有明显的PC超棱镜效应，采用端面投影方法对波状结构2DPC的入射端面和出射端面进行处理，改善了负折射时的透过率. 关键词： 光子晶体 负折射 等频面     

Frequency bands of negative refraction in finite one-dimensional photonic crystals

We have discussed theoretically the negative refraction in finite one-dimensional (1D) photonic crystals (PCs) composed of alternative layers with high index contrast. The frequency bands of negative refraction are obtained with the help of the photonic band structure, the group velocity and the power transmittance, which are all obtained in analytical expression. There shows negative transverse position shift at the endface when negative refraction occurs, which is analysed in detail.     

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     

Negative refraction and imaging properties of circular photonic crystals

The electromagnetic wave propagation in a two-dimensional (2D) circular photonic crystal (CPC) is investigated. The CPC structure is composed of air holes in the dielectric background material. The finite element method is used to study the optical and propagating properties of the CPC slab. Numerical simulations show that negative refraction and near-field imaging can appear in a 2D CPC slab. We also find that the high-symmetry CPC slab possesses an optics axis along the vertical direction intersecting the symmetric center. As a result, the CPC slab can exhibit an excellent imaging performance when a source is placed on the optical axis.     

Engineering the near-field imaging of a rectangular-lattice photonic-crystal slab in the second band

Imaging properties of a two-dimensional rectangular-lattice photonic crystal (PC) slab consisting of air holes immersed in a dielectric are studied in this work. The field patterns of electromagnetic waves radiated from a point source through the PC slab are calculated with the finite-difference time-domain method. Comparing the field patterns with the corresponding equifrequency-surface contours simulated by the plane-wave expansion method, we find that an excellent-quality near-field image may be formed through the PC slab by the mechanisms of the simultaneous action of the self-collimation effect and the negative-refraction effect. Near-field imaging may be obtained within two different frequency regions in two vertical directions of the PC slab. Supported by the Research Foundation of the State Ethnic Affairs Commission of China (Grant No. 07ZY15), the National Key Basic Research Special Foundation of China (Grant Nos. 2004CB719804 and 2006CB921702), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10674185 and 10705056), and the Youth Foundation of Central University of Nationalities (Grant No. CUN0207)     

基于空气环结构的大带隙二维光子晶体的设计

用平面波展开法研究了内介质柱截面为长方形的三角晶格空气环型光子晶体的完全带隙特性。通过调节内介质柱的大小、介电常数、旋转角度以及空气环外半径对完全带隙的影响,找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数。经优化后得到禁带宽度Δω=0.082(2πca-1)(其中a为晶格常数,c为光速),中心频率ω0=0.401(2πca-1),完全带隙宽度与中心频率的比值达到了20.4%,该结果比圆形内介质柱截面空气环结构的完全带隙大,比普通的空气孔结构的完全带隙增大了37%。     

二维空气孔型光子晶体负折射平板透镜的减反层

提出并优化了由单排渐变介质波导构成的二维空气孔型光子晶体负折射平板透镜表面的减反层，改善了成像质量.二维时域有限差分模拟计算结果表明，采用减反层后，在入射角小于23°的范围内，在使得有效折射率n_eff=-1的工作频率处，光子晶体表面对从空气一侧入射的平面波的反射率可降低到1％以下. 关键词： 光子晶体 负折射 平板透镜 减反层