介电常数呈正弦平方规律变化的一维光子晶体带结构

一维光子晶体是最简单的一类光子晶体。利用分子束外延生长技术,人们可以把两种折射率(或介电常数)不同的材料交替生长形成多层薄膜结构。由于对称性,人们就把这种多层薄膜材料近似当作一维光子晶体,并研究不同折射率情况下光子晶体的能带特征。假设介电常数呈正弦平方规律变化,光子的运动方程化为熟知的Mathieu方程。根据Bloch定理讨论了系统的能量分布,系统自动呈现出的能带结构,再现了光子晶体的周期性与能带特征。数值分析表明,在参数(δ,ε)平面上系统出现了一系列稳定和不稳定区(禁带)。当参数ε→0时,这些不稳定区退化为一点,给出了禁带中心频率,并用摄动法求解了方程的低阶不稳定区及其禁带宽度。结果表明,一阶和二阶不稳定区(禁带)宽度Δω1,2与介质的参数和入射光子频率有关。适当选择这些参数,可以有效地调节光子晶体的带结构,并按需要得到不同性能的光子晶体。     

一维光子晶体禁带特性的研究

应用传输矩阵法研究了一维光子晶体的禁带特性,数值模拟得到了一维光子晶体TE模、TM模和TE/TM模禁带结构,计算结果表明,介质层的厚度发生变化时,禁带宽度发生变化。研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

组合一维光子晶体全能反射器

为了能充分地展宽一维光子晶体的全方位禁带,从一维光子晶体禁带结构的特点出发,对于不发生Brewster效应的一维光子晶体,提出了通过两个或两个以上一维光子晶体的组合来实现和展宽一维光子晶体全方位禁带的理论依据和最佳组合方式.并给出了所提出的组合方式下相关参数的定量计算公式. 最后用传输矩阵法进行了数值模拟计算,对提出的组合方式进行验证,计算结果与预期结论符合很好.     

基于能带结构特性Si/ZnO多层膜的设计与制备

基于能带理论设计了一种用于红外高反射的新型一维光子晶体。根据麦克斯韦方程的传输矩阵计算基础,得到了布洛赫波与入射光频率的色散关系,并由此构建了光子晶体能带结构。入射光波在介电常数周期变化结构中的布里渊区边界多次反射后会形成驻波,从而产生光子禁带。叠加3～5μm和8～12μm两种周期结构的光子晶体可以使光子禁带拓宽2.2×1013 Hz。在此基础上,选用折射率色散小的材料体系Si/ZnO设计并制备了13层一维光子晶体,该晶体在3～5μm和8～12μm红外波段的平均反射率在91.3%以上。实验结果与仿真结果吻合,验证了模型和理论的高可靠性。     

非线性一维光子晶体特性的动态调制

对含有非线性材料的一维光子晶体带隙结构进行了数值计算.在外部入射光强调制下,非线性缺陷层折射率的改变会引起禁带内缺陷模的移动,而光子晶体禁带位置与宽度基本保持不变;若基本周期层取非线性材料,随入射光强的改变,禁带内部缺陷模发生相同的移动,同时,禁带位置和禁带宽度也会发生移动.利用这一性质可以对光子晶体进行动态外部调制,在此基础上对非线性一维光子晶体动态滤波选频进行了实验设计.     

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。     

温度对超导光子晶体光子能带的影响

建立了二维超导光子晶体的物理模型,在超导二流体模型并考虑原子作非简谐振动情况下,用平面波展开法求出超导光子晶体的光子能带满足的方程.以YBaCuO超导光子晶体为例,探讨温度对它的光子能带结构的影响.结果表明：二维超导光子晶体在低温时具有较宽的禁带,且禁带宽度随温度的升高而变小.     

温度对超导光子晶体光子能带的影响

建立了二维超导光子晶体的物理模型,在超导二流体模型并考虑原子作非简谐振动情况下,用平面波展开法求出超导光子晶体的光子能带满足的方程.以YBaCuO超导光子晶体为例,探讨温度对它的光子能带结构的影响.结果表明:二维超导光子晶体在低温时具有较宽的禁带,且禁带宽度随温度的升高而变小.     

宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构

提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.     

紫外及深紫外光子晶体微腔特性研究

运用平面波展开法并结合有限时域差分法仿真计算了紫外及深紫外波段光子晶体微腔能带和品质特性.结果表明:四角晶格结构的光子晶体相应能带中的光子禁带宽度较窄,不利于形成对紫外波段光子的局域和限制;通过调控和改变二维光子晶体的晶格类型和晶格常量以及设计单一甚至多缺陷的晶格,所形成的局域电场明显增强.优化填充因子,获得了品质因数可高达6 107的多缺陷光子晶体微腔结构.     

准分形光子晶体多频带隙的特性及其应用

用时域有限差分方法计算了多种准分形结构光子晶体的能带. 数值计算结果表明, 这些结构的光子晶体存在多频带隙的特点, 且带隙的宽度及中心频率以及带隙中导带的中心频率均随准分形光子晶体单胞内结构单元几何形状的改变而改变.     

遗传算法优化设计三角晶格光子晶体

将遗传算法应用于三角晶格光子晶体的禁带设计过程. 考虑到可制备性，算法以第五能级下最大绝对禁带为优化目标，采用粗粒度像素表示原胞结构. 通过引入傅里叶变换数据备份机制以提高禁带计算速度和算法效率，从而快速搜索到了具有较大绝对禁带的“介质空气柱”散射体形状的三角晶格光子晶体，其最大绝对禁带的相对宽度值(绝对禁带宽度和中心高度的比值)为23.8%. 关键词： 二维光子晶体 三角晶格 光子带隙 遗传算法     

Design for 2D anisotropic photonic crystal with large absolute band gaps by using a genetic algorithm

A 2-state genetic algorithm (GA) approach is used to design a two-dimensional (2D) anisotropic photonic crystal of square lattice with a maximal absolute band gap. The unit cell is devided equally into many small squares, and each filling pattern of squares with two dielectric materials corresponds to a binary number. As a numerical example, the GA gives a 2D Te structure with a relative width of the absolute band gap of about . After a further optimization, a new structure is obtained with a relative width of the absolute band gap of about .Received: 1 November 2003, Published online: 9 April 2004PACS: 42.70.Qs Photonic bandgap materials - 78.20.Ci Optical constants (including refractive index, complex dielectric constant, absorption, reflection and transmission coefficients, emissivity) - 02.70.-c Computational techniques     

遗传算法在二维声子晶体带隙优化中的应用

运用自适应遗传算法对二维声子晶体的带隙宽度进行优化设计，并与平面波展开法相结合，研究了由正方形排列的铅-环氧树脂构成的声子晶体的带隙宽度优化问题，发现自适应遗传算法可以有效地搜索到具有较宽完全声子带隙的优化单胞形式. 关键词： 声子晶体 声子带隙 遗传算法     

A comparative study of dispersion relation of EM waves in ternary one-dimensional plasma photonic crystals having two different structures

In this paper, a rigorous theoretical analysis has been made to study the dispersion relation of EM waves in periodic ternary one-dimensional photonic crystal having two different structures. In one case we have chosen glass-plasma and ZnS in one unit cell and in other case we have considered glass-plasma and M_gF₂ in one unit cell. Using Kronig-Penney model the dispersion relation for proposed structures has been obtained and numerical results are presented in the form of dispersion curves. The dependence of photonic band gap (PBG) characteristics on plasma frequency, plasma width and the width of dielectric media are discussed in the light of frequency gap and cutoffs of binary one-dimensional plasma photonic crystal. An attempt has been made to show how the PBG characteristic of a particular structure changes when the dielectric materials of its unit cell is changed by the other dielectric material. It is found that the structure having glass-plasma-ZnS in unit cell is more useful for broad band filtering and other plasma functioning devices compared to the structure having glass-plasma-MgF₂ in one unit cell.     

掺杂对一维光子晶体带隙传输特性的影响

 基于传输矩阵法,数值研究了掺杂对一维光子晶体带隙特征的影响。研究表明：掺杂时,禁带中心会出现一导带,导带深度会随着掺杂位置、杂质折射率的变化而发生变化。当晶体结构给定时,总存在一个掺杂位置,使其禁带中心的导带深度达到最深;而对于给定的掺杂位置,当杂质折射率为某特定值时,禁带中心同样也会出现一个深度最深的导带,这种特性可应用于滤波器件和光学谐振腔的设计。     

Broad Stopband Characteristic of Dielectric Chiral Photonic Crystals

In this paper, a novel chiral photonic crystal structure is presented. The formula of reflection coefficient of multi-layer chiral media is applied to dielectric-chiral photonic crystal structure, which is composed of thin chiral layers sandwiched by conventional media. To compare with previous literature, we consider the dielectric structure with alternate glass and GaAs layers. The power reflectance as a function of wavelength for this photonic crystal structure has been calculated. The results are in good agreement with that of Reference. However, our method is simpler. From these graphs, it is found that 100% reflectance is only in finite wavelength ranges, and reflection bandwidth is also small for conventional photonic crystal structure. For chiral photonic crystal, the results show that the chiral photonic band gap (PBG) structure gives nearly 100% reflections in the near-infrared region in addition to some parts of the visible region of the wavelengths. Therefore, it can be used as a broadband reflector and filter.     

Design of Narrowband Optical Filters Using Binary Number Sequence Photonic Crystals

A theory to design narrow band optical filters by using a new photonic crystal structure is presented. This new photonic crystal structure is composed of low index layers and high index layers arranged in mod. 4 up and down binary number sequence. The new structure exhibits narrow transmission peaks in the forbidden frequency gap region with high optical transmission (greater than 99.98%) at C.W.D.M. (Coarse Wavelength Division Multiplexing) center wavelengths. The proposed filters use only 8 layers. These new binary number sequence photonic crystal narrowband optical filters are much smaller in size, lower in cost and easier to fabricate as compared to narrowband photonic crystal optical filters based on defect Fractal Cantor multilayers, suggested recently by a group of researchers.     

一种基于光子晶体结构的坦克涂层设计

为减少坦克在实战中的红外辐射, 分析了坦克炮慢射后的辐射特征, 针对其炮管所辐射的特征波长在8-12 μm的电磁波,选用常见的SiO₂和Si为介质, 并在考虑各自色散关系的基础上, 设计了具有光子晶体结构的防辐射涂层. 数值计算表明: 当两介质各取4层, 其几何厚度分别取1330和825 nm时,在8-12 μm 的范围内有一个严格的带隙. 当两介质的几何厚度增加, 带隙红移, 宽度增加, 反之亦然. 只要两介质的几何厚度变化不同时超过10%, 原带隙总是存在. 当介质层数取7-8时, 涂层在上述波长范围内的严格带隙已形成, 介质层数再增加, 带隙没有实质性的变化. 带隙结构对入射角的变化并不敏感.     

金属插层对C60/AlN一维光子晶体带隙的影响

利用传输矩阵方法,研究了金属Ag插层对C60/AlN一维光子晶体带隙宽度以及反射率的影响.结果表明：在C60与AlN之间插入Ag组成的［C60/Ag/AlN］n一维光子晶体,与未插入Ag层相比可使带隙增宽73.91%,最大反射率提高到91.01% .该结构可望用于制作紫外线波段的宽带反射镜.