纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质，不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性，二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用，对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和     

纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质,不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性,二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用,对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和 关键词： 纳米集成光路 扫描近场光学显微术 光波导 光增强     

基于表面等离子体的太赫兹光束方向调控的模拟研究

本文根据锑化铟(InSb)材料在THz波段下复介电常数对温度的响应特性,采用了带有光栅的锑化铟-介质-锑化铟的表面等离子体波导结构,实现了1THz频率光束的准直出射,并能够通过调整结构两侧光栅的温度差来控制出射光束的角度.由时域有限差分方法得到光束偏转角度与温度差之间的关系.理论上利用表面等离子体波导模式的光栅耦合机理解释光束方向改变的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹 时域有限差分方法 光束方向控制     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计

利用时域有限差分方法,模拟了P偏振光高斯光束入射到金属银亚波长细缝与光栅结构的透射情况.由于表面等离子激元波的影响,对称光栅结构透射光呈现对称出射,而非对称结构可以实现小角度定方向的光束集束现象.借助公式推导法及Helmholtz互易定理,可设计出平行入射P偏振光的光束集束器件.由于高斯光束本身的发散性及近场分布的需要,针对高斯光束的器件在结构参量上缩小了12%.在对其他结构参量的优化的基础上,实现了针对633 nm高斯光束的对称出射及光束集束器件的设计.     

Wollaston式多光束分束棱镜的设计研究

基于方解石晶体的光学特性和传统Wollaston棱镜的结构特点,设计了一种新型Wollaston式多光束分束棱镜。棱镜的两块晶体的光轴不再是垂直的,而是呈现一定的角度。通过结合玻璃棱镜,可以实现三束或四束光束平行光束的出射。以晶体光轴夹角为45°角为例,对该棱镜进行了讨论研究。研究得出:当一束自然单色光入射时,当入射光束的光斑大小大于两平行光束之间的距离时,可以实现两束相互垂直的偏振光和一束自然光出射,当光斑大小小于棱镜中两平行光束之间的距离时,能够产生四束分开程度可调并且平行出射的偏振光。该棱镜能为不同的应用环境提供可调节的偏振出射光束,从而节约成本。     

BaTiO3晶体自泵浦相位共轭中的透射效应

从BaTiO_3晶体自泵浦相位共轭透射光束的出射角随泵浦光束入射角的变化,相位共轭透射光束在晶体中的光路,以及相位共轭透射光束的透射率随泵浦光束和晶体c轴夹角的变化等几方面研究了BaTiO_3晶体自泵浦相位共轭中的透射效应,根据实验结果肯定了自泵浦相位共轭中透射现象的存在.     

附加球面相位引致Airy光束在单轴晶体传输时的两次镜像演化

利用单轴晶体光束传输理论,求得了具有附加球面相位Airy光束在单轴晶体中的传输公式.数值模拟计算结果表明,线偏振附加球面相位Airy光束在晶体中传输时仍为线偏振,但不是传输不变的.粗略地讲,具有附加球面相位的Airy光束在晶体中传输时,近场是传输不变的;而在由晶体寻常与非寻常折射率和球面半径共同确定的两个特定传输距离处,传输光束转换成了取向不同的Gaussian-Airy光束,且高斯依赖的束宽度敏感地与截断因子相关;而当光束依次穿过此两位置时光斑花样先后相对于两横向轴平面做镜像演化,且镜像演化顺序也与晶体寻常和非寻常折射率相对大小密切相关,其总的效果是远场强度花样能恢复原样但花样取向产生了关于对过横平面二、四象限平分平面的镜像演化.这些结果表明,通过恰当选择晶体材料(即折射率)和附加球面相位的半径R,可以调控光束花样的形状、取向及表征各向异性材料的相关性质.     

交叉相位引致艾里-厄米-高斯光束在单轴晶体传输时光斑连续转动

按照单轴晶体光束传输理论,求得了具有交叉相位艾里-厄米-高斯光束(AiHGB)在单轴晶体中传输时的解析表达式.数值模拟计算结果表明,具有初始交叉相位的AiHGB在晶体中传输时仍是线偏振的,但不一定是传输不变的.具体地讲,有赖于交叉相位系数、光束参数及晶体材料参数,初始交叉相位会引起AiHGB光斑连续转动,在从近场到远场的整个传输过程中总的转动角是90°.并且交叉相位系数足够大时,AiHGB光斑只有纯转动;而交叉相位系数适当小时,AiHGB光斑除了取向转动还有光斑形状变化.这些结果表明通过恰当选择晶体材料(即折射率)和附加交叉相位因子的系数,可以精准调控光束花样形状的取向与结构,也可用于确定晶体材料折射率或测定交叉相位因子的系数.     

基于光子晶体的Kretschmann结构中自准直光束的Goos-H¨anchen位移研究

利用平面波展开法和时域有限差分法,模拟研究了基于自准直条件下的高斯光束入射光子晶体Kretschmann结构时发生的同时具有正向和负向Goos-H¨anchen位移的双束反射现象.研究表明,反射光束中具有一束较小的正向位移,而另一束具有较大的负向位移,发现当Kretschmann结构支持的泄漏的表面模式被激发时才出现这一特殊现象;表面模式的场分布说明介质波导中存在着强局域稳态场,大的位移来自于表面模式与自准直体模式间的强耦合,同时探讨了表面模式与光子晶体自准直体模式之间发生耦合的条件和影响参数.本文负向位移最大达到?23.23a (a为晶格常数),对应入射光波长的4.99倍,是束腰半径的1.1615倍.     

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     

Stimulated emission from two-dimensional nested rectangle photonic crystal fibers

In this paper, we use the theory of spontaneous emission of two-level atoms embedded in photonic crystals. The unavoidable existence of a localized field with a defect mode and its basic properties are confirmed, which enables one to study the inherent laws of spontaneous emission from doped media. We combine the theory of spontaneous emission with numerical simulation for studying stimulated emission in a doped localized field and conditions for increasing the emission. The inherent laws for the cases where transmissivity is larger than unity and the negative imaginary part of the complex refractive index in doped compound lattices appears are also studied. The analysis of two-dimensional nested rectangle photonic crystal fibers (PCFs) with and without active impurities was performed using the finite-difference time-domain (FDTD) method. We find that, when active impurities are introduced into photonic crystal fibers, the negative imaginary part of the complex refractive index appears and the doped mode with high quality factor and great mode density occurs in the photonic forbidden band, thus amplifying substantially the stimulated emission.     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.     

基于介质环形柱结构的二维光子晶体中Dirac点的实现

利用偶然简并方法在二维正方格子介质环形柱结构光子晶体中成功实现了Dirac点, 并利用平面波展开法对实现Dirac点的过程进行了研究. 研究结果表明, 对于二维正方格子介质环形柱结构光子晶体, 在一定的外径R_O范围内(0.37a<R_O<0.5a), 当Dirac点存在时(n>1.4), 介质环内径R_I与外径R_O满足一个不随介质环折射率n变化的恒定关系式. 同时, Dirac点对应的光子约化频率f随折射率n及外径R_O的增大而减小. 利用所得的关系式对特定介质环折射率n条件下能实现Dirac点的环形光子晶体进行了预判设计.     

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.     

Alternative approach to realize all-angle negative refraction and far-field imaging effects via two-dimensional all-solid photonic crystals

We systematically investigate the band structures, equifrequency surfaces, and the intensity distributions of Poynting vector in two-dimensional Si/SiO₂ all-solid photonic crystals with different lattice types. It is found that all-angle negative refraction with effective refractive index of nearly ? 1 and far-field imaging effects can be achieved from all-solid photonic crystals. And more important thing is that, the all-solid photonic crystals can realize all-angle negative refraction at lower frequencies and provide far-field images with higher quality compared with normal air–dielectric photonic crystals. Such improved performance provides an alternative approach to realize all-angle negative refraction in super-lens and super-prisms applications.     

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...     

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.     

Hexagonally poled lithium niobate: A two-dimensional nonlinear photonic crystal

We report on the fabrication of what we believe is the first example of a two-dimensional (2D) nonlinear photonic crystal [Berger, Phys. Rev. Lett. 81, 4136 (1998)], where the refractive index is constant but where the 2nd order nonlinear susceptibility is spatially periodic. Such crystals allow for efficient quasi-phase-matched 2nd harmonic generation using multiple reciprocal lattice vectors. External 2nd harmonic conversion efficiencies >60% were measured with picosecond pulses. The fabrication technique is extremely versatile and should allow for the fabrication of a broad range of 2D crystals including quasicrystals.     

用转移矩阵法数值研究二维正方介质柱光子晶体的传输特性

利用转移矩阵方法对二维正方介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,数值计算研究了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同时光子晶体的传输特性。数值结果表明光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,正方晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角对光子禁带有重要影响。数值研究表明在正方介质柱下设计宽平坦光子禁带时,可以首先考虑正方晶格结构,其次设法使柱体截面尽量大一些,最后可通过柱体放置方位角来微调光子禁带的宽度与中心频率以达到设计要求。