一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料的性质

对一维掺杂光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中缺陷模的透射性质进行了研究.利用转移矩阵方法,分别计算了负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位谱和一维掺杂光子晶体的透射相位谱.研究发现,在特定条件下,负介电常数材料和负磁导率材料的反射相位以及一维掺杂光子晶体的往返透射相位之和是0或者2π的整数倍.这样的研究结果表明,在满足一定的条件下,一维掺杂的光子晶体嵌入负介电常数材料和负磁导率材料中后,无论杂质的厚度多大,在光子带隙中仅出现一个缺陷模.而且,由于负介电常数材料和负磁导率材料性质的限制,单个缺陷模的品质因子会大大提高.     

负介电常数材料与负磁导率材料双层结构的透射特性

利用麦克斯韦方程组研究了负介电常数材料和负磁导率材料组成的双层结构的透射特性.电磁波在跨越负介电常数材料层和负磁导率材料层的界面时，由边界条件导致了电磁场的大部分能量局域在界面上，形成特殊的界面模式.研究结果表明，当入射角满足某个特定条件时，这些界面模可以演变为共振隧穿模，导致共振透射的发生.这种输运特性可以实现带通滤波. 关键词： 负介电常数材料 负磁导率材料 单负材料 带通滤波器     

含负折射率材料的一维光子晶体缺陷模式的研究

采用光学传输矩阵方法,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中带有缺陷层时的光学传输特性.计算了含有普通电介质插层和有吸收的介质插层两种情况下的透射谱.结果表明,在正入射时,对于普通电介质插层,随插层厚度的增大,缺陷模的个数增多;对于有吸收特性的介质插层,随插层厚度的增大和吸收特性的增强,缺陷模式并没有出现,而是表现为对透射峰的明显增益.     

含负磁导率或双负材料的一维光子晶体的全方位带隙中波的反射相位特性

运用传输矩阵法研究了含负磁导率或双负材料的一维光子晶体结构在全方位光子禁带中波的反射相位谱.研究发现"负磁导率材料-正折射率材料"光子晶体和"双负材料-正折射率材料"光子晶体,在所述带隙中,对TE波而言,反射相位随入射角的增大而增大;对TM波而言,禁带频率范围内波的反射相位随入射角的增大而减小;TE波和TM波,两种结构的反射位相均随介质层的厚度缩放因子增大而增大,且都与周期数无关.     

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.     

含单负材料的一维光子晶体的杂质模

采用转移矩阵的方法研究了含单负材料的一维光子晶体中掺入双层正常材料杂质时杂质模频率的变化问题.研究结果表明,杂质模频率与晶格常量的标度无关,且对晶格常量的涨落很不敏感.同时,通过增加杂质层厚度及层数发现,杂质模频率随之减小,而它的变化率随之增加,且杂质模消失在低频带边的速度会越来越快.     

一维负磁导率材料中的缺陷效应

理论和实验已经表明，金属开口谐振环（split ring resonators,简称SRR）可以实现材料的有效磁导率μeff在某一频率范围内为负.采用波导法实验研究了不同几何尺寸的六边形SRR在X波段微波作用下的近邻相互作用.实验发现，相同尺寸的六边形SRR周期性排列而成的一维负磁导率材料存在一个谐振频率；当缺陷谐振环引入一维负磁导率材料时，主谐振频率和缺陷环谐振频率同时发生移动；主谐振频率和缺陷环谐振频率的移动量随缺陷与双环谐振频率之差的增加而减小，当缺陷环谐振频率与双环谐振频率接近时，环间的相互作用增强，频率的移动量增大. 关键词： 负磁导率 缺陷效应 开口谐振环     

电磁超材料中负磁导率对负介电常数的影响

为深入了解电磁超材料中物质间相互作用关系,理论分析了金属导体线阵列宏结构嵌入单负磁导率媒质中时其等效介电常数的变化特性。数值计算和电磁仿真方法相结合,讨论了单负磁导率媒质和单负介电常数媒质的相互作用关系,提出了减小其相互作用的解决方法。仿真结果显示：将金属线阵列直接嵌入到单负磁导率媒质中时,电磁超材料传输特性在整个频段内为传输禁带;将金属线裹附一层绝缘材料后,传输禁带变为传输通带,这表明金属线阵列和单负磁导率媒质之间必须加入一种绝缘材料才能合成双负的电磁超材料。     

含负折射率材料的一维“啁啾”光子晶体的透射谱

将"啁啾"函数引入到含负折射率材料的一维光子晶体中,利用转移矩阵法对这种光子晶体的透射谱进行了研究。通过计算模拟了这种光子晶体的透射谱随入射角、频率的变化关系,并计算了这种晶体的复有效折射率的表达式。结果表明,当"啁啾"函数对厚度调制不大时,该晶体具有很宽的反射带,并且反射带对入射角度反应不敏感,其原因是由于其复有效折射率的实部几乎为0,而虚部较大。利用这一特性可以用来制作高品质的宽带全方位反射镜。     

一维光子晶体掺杂缺陷模研究

用特征矩阵法计算了光波在包含多种掺杂缺陷的一维光子晶体中的传播规律,与不包含缺陷的结构相比较,在禁带中形成缺陷模。缺陷模的位置、数目和强度不仅和缺陷的产生方式有关,还和缺陷位置处的光学厚度及折射率的变化有关。当掺杂缺陷的位置呈等间距时,相应缺陷模也呈等间距排列。随着掺杂缺陷光学厚度的变化,缺陷模的位置、数目也随之变化。保持掺杂缺陷光学厚度不变,掺杂缺陷折射率的变化将会引起缺陷模强度的变化,并存在一个最大值。缺陷模的出现一般使带隙加宽,尤其是掺杂介质的折射率与周期介质的折射率差别较大时更加明显。掺杂空气介质时可使缺陷模的透射率近似为1。     

光脉冲在一维负折射材料光子晶体中的传播

讨论了一维负折射光子晶体对光脉冲传播的影响.通过对光脉冲的透射场强的数值计算发现,频谱处于一维负折射率材料光子晶体禁带中的短脉冲通过光子晶体后基本保持形状不变,而对同样的短脉冲通过传统的一维光子晶体的透射脉冲则出现严重畸变.当考虑负折射率材料的色散时,讨论了位相时间随光脉冲载波频率的变化情况.     

含负折射率材料1维光子晶体的偏振无关非全向的缺陷模

运用光学传输矩阵理论,研究了含负折射率材料1维光子晶体缺陷模的偏振特性。结果显示,零均折射率带隙中缺陷模对入射角和偏振有较强的依赖。通过对缺陷层参数的优化设计,得到了一系列的偏振无关非全向缺陷模,这是传统1维光子晶体中不能出现的。应用这些缺陷模,设计了低通、高通、带通空间滤波器。与传统光子晶体空间滤波器相比,这些空间滤波器具有偏振无关的优点。     

含负折射率材料1维光子晶体的偏振无关非全向的缺陷模

运用光学传输矩阵理论,研究了含负折射率材料1维光子晶体缺陷模的偏振特性。结果显示,零均折射率带隙中缺陷模对入射角和偏振有较强的依赖。通过对缺陷层参数的优化设计,得到了一系列的偏振无关非全向缺陷模,这是传统1维光子晶体中不能出现的。应用这些缺陷模,设计了低通、高通、带通空间滤波器。与传统光子晶体空间滤波器相比,这些空间滤波器具有偏振无关的优点。     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

多个单负材料缺陷一维光子晶体的孪生缺陷模

分析了含有多个单负材料缺陷层的一维光子晶体中缺陷模的性质。在两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替堆叠形成的一维光子晶体中,掺入了多个周期排列的单负材料缺陷层,得到在该光子晶体的零有效相位(zero-effective phase)带隙内存在孪生缺陷模。通过改变缺陷的数目或缺陷层的厚度,可调节缺陷模的频率间隔,但缺陷模的数目总保持为两个。计算结果显示,该孪生缺陷模的频率对入射角度的依赖较弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量总保持在0.03以下。此外,对应缺陷模频率的电场在该光子晶体中传播时,将被强烈地局域在缺陷层与周期结构的交界面上。     

含奇异材料的掺杂一维光子晶体色散关系和空间局域度理论

给出了描述掺杂的一维光子晶体结构缺陷态的变化规律及其空间局域度特性的理论表达式.该式对由具有任意色散关系材料组成的、中间掺杂、两边对称的一维光子晶体结构均成立.通过研究含奇异材料的光子晶体组态发现，当缺陷层材料为右手材料时，光子带隙中缺陷态的频移方向随缺陷层厚度的增大而红移；当缺陷层材料是左手材料时，频移方向刚好相反，表现为蓝移.该缺陷态的空间局域度只与两边对称结构有关.两边对称结构含奇异材料的光子晶体的缺陷态比传统右手材料的结构具有更强的空间局域度.     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

含单负材料一维光子晶体局域场的研究

利用光学传输矩阵法对含单负材料的一维光子晶体的光学传输特性进行了数值计算.结果表明,选择合适参数,使得双缺陷满足ε和μ为零的条件,该缺陷就不会影响光子带隙.而传统的一维光子晶体,由于缺陷的加入,会在光子带隙中出现缺陷模.当满足ε和μ为零的条件时,双缺陷中传输矩阵相当于一个单位矩阵,相当于一层透明材料;当双缺陷厚度增加时,其中的场强度成指数增加,与放在真空中双缺陷相比,带边的场局域效应更加明显.     

含负折射率材料一维光子晶体的全方位带隙和缺陷模

运用光学传输矩阵理论,研究了含负折射率材料一维二元光子晶体的禁带特性和局域模特性,发现了一种新型全方位光子带隙.与传统的Bragg带隙相比,这种新型全方位光子带隙的中心频率和带宽对入射角的变化不敏感.讨论了引入缺陷层后,入射角变化和各层介质厚度做一定比例的缩放时对缺陷模位置的影响.这种特性在具有固定带宽的全方位反射器和微波技术中全方位或大入射角滤波器方面有重要的应用价值.     

光子晶体中的磁控光子开关线路

提出了一个光子晶体中的磁控光子开关线路的理论模型,并利用平面波展开加超原胞方法计算了它的光学性质.这个模型由设置在空气中的介电柱子光子晶体构成,其中一排柱子被具有同样介电常数的铁氧体柱子替换.当外加磁场时,铁氧体柱子产生了不等于一的磁导率,这就会在光子带隙中产生波导模.当撤去外场,整个体系还原为完美光子晶体.由此便可形成磁控光子开关线路.具体选择了正方形柱子设置在正方形格点上,计算结果证明这种设想是可行的,并给出一些有价值的结果. 关键词： 光子晶体 传导模 磁导率