左右手材料光子晶体能带结构及表面波色散关系

根据平面波展开的传输矩阵理论及布洛赫定理,通过参数匹配的方式,研究零平均折射率及表面含覆盖介质层条件下左右手材料光子晶体的能带结构和表面波的色散关系,结果表明:零平均折射率条件下,左右手材料光子晶体不同于正折射率材料光子晶体,能带结构中出现半封闭状禁带、封闭状禁带和通带,且通带中的分立能级沿着低频方向呈现振荡衰减和多重简并趋势,能带结构沿着波矢绝对值增大方向趋于简并至消逝。添加表面覆盖介质层的左右手材料光子晶体支持正反表面波和反向表面波的传播,部分半封闭状或封闭状禁带边缘出现简并能级分裂,形成禁带中斜率有正有负的分立色散曲线。表面覆盖介质层厚度可调制色散曲线的频率位置和数目,随覆盖介质层厚度增大,分立色散曲线向波矢减小方向移动,且高频区域半封闭状禁带中的色散曲线在覆盖介质层厚度达到一定数值时还出现耦合分裂现象,但覆盖介质层厚度变化对能级的多重简并和通带与禁带的简并态不产生影响。左右手材料光子晶体的能带结构特点和表面波色散特性,可为新型光波导器件的研究和设计等提供指导。     

Complex dispersion relation of 1D dielectric photonic crystal with thin metallic layers

We have carried out the analytical and numerical analysis of metallic insets embedded in a dielectric photonic crystal (DPC). The corresponding one-dimensional metallo-dielectric photonic crystal (MDPC) is studied in relation to the substratum DPC. We describe the complex MDPC dispersion relation curves and the transmission coefficient at the different propagation regimens trough the finite stack. While in the DPC, the band gap argument corresponds to undefined complex solutions of a real dispersion relation, in a MDPC corresponds to a definite complex solution, function of the metal thickness; and analytic continuation of the dispersion curve on the imaginary K plane. The metal absorption is described by the Drude model, and as a result of the absorption in the inset metallic films, complex Bloch vectors are produced for all frequencies as evanescent waves that differ from the straightforward metal absorption.     

椭圆偏振光在各向异性1维光子晶体中的传输

为了解决利用传统传输矩阵法计算在各向异性材料结构中任意极化态电磁波传播遇到的困难,设计含磁光材料缺陷层的1维光子晶体。通过把入射电磁波按左旋圆偏振和右旋圆偏振进行正交分解的方法,推导出适合各向异性材料和任意极化态入射电磁波的传输矩阵算法。结果表明,该算法可以确定1维层状结构透射波和反射波偏振态的变化。     

左右手材料光子晶体带隙及表面波局域电场特性

为研究与设计新型光波导和光学传感器，通过参数匹配，并利用平面波展开的传输矩阵理论及布洛赫定理，研究左右手材料光子晶体的能带结构、表面波局域电场分布等，结果表明:零平均折射率左右材料光子晶体能带中存在的半封闭状和封闭状禁带结构，且通带中的能级曲线由高频向低频方向振荡衰减并简并。添加表面覆盖层介质后，部分半封闭状及封闭状禁带中出现正向波和反向波分立能级，分立能级随覆盖层厚度增大向波矢减小方向移动，半封闭状禁带中的分立能级在覆盖层厚度达到一定数值时出现分裂现象。禁带中正向表面波局域电场极大值均处于覆盖层与光子晶体表面交界处附近，并随覆盖层厚度增大或远离交界处而衰减，封闭状禁带对应的局域电场极大值对覆盖层厚度的响应灵敏度弱于半封闭状禁带。禁带中的反向表面波局域电场及其极大值均处于光子晶体内部，而且随覆盖层厚度增大而增强，封闭状禁带对反向表面波的局域限制作用、表面波与入射光的耦合作用、局域电场对覆盖层厚度的响应灵敏度等强于半封闭状禁带。     

1维3元磁化等离子体光子晶体传输特性分析

为了研究1维3元磁化等离子体光子晶体的传输特性,采用传输矩阵法得到了TE波通过1维3元磁化等离子体光子晶体后的左旋和右旋极化波的传输特性,用计算得到的透射系数来讨论了周期常数、介电常数、介质层厚度和等离子体参量对其传输特性的影响。结果表明,改变介电常数、介质层厚度和等离子体频率可以实现对禁带数目和宽度的调谐,改变周期数和等离子体碰撞频率不能影响禁带带宽;等离子体回旋频率仅仅能影响右旋极化波的禁带带宽,对左旋极化波的禁带带宽无影响。这为设计1维3元磁化等离子体光子晶体器件提供了理论参考。     

一种新型光子晶体的光学特性研究

本文提出了一种非对称一维各向异性掺杂光子晶体,通过传输矩阵法研究了这种新型光子晶体的光学特性,通过数值模拟得出:光通过该结构光子晶体后TE波和TM波缺陷模的透过率及中心波长位置随缺陷层介质的光学厚度、缺陷层两侧周期数的非对称性的变化规律,两种偏振光波能完全分开,缺陷层介质的光学厚度及掺杂层两侧的周期数层差越大,缺陷模的透过率越小,当光学厚度及层差达到某一极限值时,将产生完全光子禁带,这是对称结构光子晶体所不具备的光学特性,其光学特性将为光子器件的转换制作及应用提供理论依据。     

缺陷对光子晶体透射能带谱的简并效应研究

为了设计高品质、高性能的光学滤波器和光开关,利用传输矩阵法通过数值计算模拟的方式绘制1维光子晶体的透射能带谱,研究和分析了两缺陷之间距离和缺陷的厚度对光子晶体透射能带谱的简并效应。结果表明,当两缺陷之间距离越大,透射能带谱简并效应越明显,当间距增大到一定数值时,出现分立透射峰完全简并现象;当缺陷厚度整数倍增大时,光子晶体透射能带谱出现简并的趋势,但缺陷厚度奇数倍增大与偶数倍增大时,透射能带谱简并速度不一样,前者的简并速度小于后者的简并速度;缺陷厚度无论是奇数倍增大还是偶数倍增大,光子晶体透射能带谱简并的速度均逐渐减小。缺陷对光子晶体透射能带谱简并效应的调制规律,为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关及其调制机制等提供了指导。     

新型光子晶体调谐滤波器的研究

提出了一种在光子晶体中引入液晶缺陷层的光子晶体调谐滤波器.用传输矩阵法给出了含液晶层时光子晶体的光谱透过率公式,对电压和液晶材料参数对调谐滤波器透射谱的影响进行了数值计算.结果表明,改变电压时光子晶体滤波器的透射峰波长和带宽作周期性变化,在适当电压作用下光子晶体具有多通道滤波功能,而液晶的厚度和固有双折射的改变几乎不能实现光子晶体滤波器的调谐作用.     

平板光子晶体的全反射遂穿及其偏振特性

为了研究1维平板光子晶体的全反射隧穿效应,采用传输矩阵法进行了TE波和TM波大于全反射角入射1维平板光子晶体时所产生的全反射隧穿效应及其偏振特性的研究。结果表明,TE波和TM波的全反射隧穿峰的频率随平板厚度的增加向低频方向移动;全反射隧穿峰的频率随光子晶体的周期光学厚度的增加而减少。这一结果对认识光子晶体的传输特性是有帮助的。     

含缺陷态的非线性介质材料的光子晶体的双稳态特性

文章报道了在具有缺陷态的二维非线性介质材料的光子晶体中光的传播特征 ,光子晶体是含有多单元层的简单和复杂周期的介质结构。事实上 ,我们感兴趣的主要是缺陷模式的传播和局域的光强的增强因素。用转移矩阵方法 ,我们计算了光子晶体的电磁场波的传播 ;从而获得局域光的增强效应 ;这种方法计算了有限厚度材料的传播特性 ,数字结果表明非线性介质材料的缺陷结构的光传播能引起输入的光强度的改变 ;这种改变表现出双稳态特征 ;对于简单和复杂的光子晶体 ,假设输入的光强度是稳定的 ;这种双稳态特征就容易出现 ;对于复杂结构的光子晶体 ,则便显出复杂的特征。总的传输量是大的情况 ,双稳态也会出现。另外 ,缺陷介质的饱和吸收系数 ,折射率比值及介质层数值确定了双稳特性的可见性     

Study on temperature property Of band structures in one- dimensional photonic crystals

Using transfer matrix method, the optical transmission properties in one-dimensional (1-D) photonic crystal is analyzed. When the temperature varies, not only the refractive index of the optical medium is changed because of the thermo-optical effect, but also the thickness of the optical medium is changed due to the thermal-expansion effect. Thus, the structure of 1/4 wave-plate stack in original photonic crystal is destroyed and the band structure varies. In this work, the effects of the temperature variation on the first and second band gap in a 1-D photonic crystal are analyzed in detail. It is found that the changes of the starting wavelength, the cut-off wavelength and the forbidden band width depend linearly on the temperature.     

FINITE-DIFFERENCE TIME-DOMAIN ANALYSIS OF UNMAGNETIZED PLASMA PHOTONIC CRYSTALS

The plasma photonic crystal is a periodic array composed of alternating thin unmagnetized (or magnetized) plasmas and dielectric materials (or vacuum). In this paper, the piecewise linear current density recursive convolution finite-difference time-domain method for the simulation of isotropic unmagnetized plasma is applied to model unmagnetized plasma photonic crystal structures. A perfectly matched layer absorbing material is used in these simulations. In time-domain, the electromagnetic propagation process of a Gaussian pulse through an unmagnetized plasma photonic crystal is investigated. In frequency-domain, the reflection and transmission coefficients through unmagnetized plasma photonic crystals are computed and their dependence on plasma frequency, plasma thickness, collision frequency is studied. The results show theoretically that the electromagnetic bandgaps of unmagnetized plasma photonic crystals are tuned by the plasma parameters.     

负折射率缺陷层的一维各向异性光子晶体缺陷模特性

本文提出了负折射率缺陷层的一维各向异性光子晶体结构,利用传输矩阵的方法给出了TE波和TM波的透射率,结果表明在TE波中出现两个及多个缺陷模,TM波存在单缺陷模,两种偏振状态不同的透射波的缺陷模能分开,得出了光通过负折射率缺陷层的一维各向异性光子晶体后TE波和TM波随入射角的变化特性、随缺陷层厚度的的变化特性。这些特性用于光子晶体多通滤波、光子晶体偏振和激光谐振腔等器件的设计具有重要意义。     

Photonic crystal waveguide analysis using interface boundary conditions

Devices based on combinations of photonic bandgap materials are understood intuitively in terms of the dispersion relations of the constituent periodic and locally homogeneous media. Quantitatively, though, photonic crystal-based devices are analyzed using numerical simulations which take no advantage of the a priori understanding of underlying periodic building-block materials. Here we unite the quantitative and qualitative pictures of photonic crystal devices and their design. We describe photonic crystals as effective media and impose boundary conditions between photonic crystals and homogeneous materials. We express optical field profiles as superpositions of plane waves in the homogeneous parts and propagating or decaying Bloch modes in the crystals, connected by transmission, reflection, and diffraction coefficients at the interfaces. We calculate waveguide modes, coupling lengths in directional couplers, and coupling between waveguides and point defects, achieving agreements of approximately 1% in frequencies and around 2% in quality factors. We use the new approach to optimize waveguide properties in a forward-going method, instead of the usual iterative optimizations.     

关注激光技术的一些发展和应用

本文阐述了激光、光纤通信、计算机控制系统的基本特点和作用,介绍了国外激光武器和激光制导的应用状况,说明了激光技术与计算机控制系统结合的重要性,并站在节能减排和保护环境的高度,预测了激光技术未来应用于电力行业的内容和前景。     

一种基于光子晶体结构防红外辐射涂层的研究

为减少蒸气在管道传输中的能耗,针对蒸气所辐射的特征波长在4007.1～7765.7 nm的电磁波,选用常见的Si和SiO2为介质,并在考虑各自色散关系的基础上,设计了一种具有光子晶体结构的保温涂层.利用传输矩阵法计算表明:当两介质各取4层,其几何厚度分别取410.5 nm和972 nm时,在4450 ～ 7600 nm...     

不对称级联结构光子晶体的透射特性

通过传输矩阵法理论,计算和研究不对称级联结构光子晶体的透射特性,结果表明:对于级联镜像对称结构光子晶体,透射谱的禁带中出现单条透射率为100%的透射峰,随着级联数目增大,单透射峰越来越精细并快速向长波方向移动,产生蓝移现象,但透射峰的透射率不变。对于不对称级联结构光子晶体,随着级联数目或级联周期不对称度增大,透射谱中单透射峰的透射率迅速下降,同时透射峰的位置随禁带缓慢向短波方向移动,产生红移现象;随着级联结构不对称度增大,透射谱中单透射峰的透射率缓慢下降,同时透射峰的位置快速向短波方向移动,产生红移现象。不对称级联结构光子晶体的透射特性,对光学滤波器、光学全反射镜和光学开关等器件的研究和设计有一定的指导价值。     

基于二维光子晶体的多频段太赫兹波滤波器研究

基于二维光子晶体,提出一种多频段 太赫兹(THz)波滤波器。在光子晶体中引入3条平行的横向波导,通过改变介质柱的半 径或插入半径较小的介质柱在 相邻波导之间构成耦合区域,使特定频率的THz波从中部波导耦合至上、下侧光子晶体波 导并分别从端口2和1输出, 其余的THz波经中部波导从端口3输出,最终达到多频段滤波的效果。利用时域有限差 分法和平面波展开法对所提出 的器件计算和仿真结果显示,频率为f=3.24和3.75THz的THz波分 别从端口1、2和3输出中,传输效率分 别达到95%和99% ,表明本文结构能很好实现多频段滤波效果。     

1维光子晶体的能带结构分析

为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。     

DOUBLE PERIODIC PHOTONIC CRYSTAL WITH METAMATERIAL

In this paper, the reflection and transmission coefficients of multi-layer dielectric and metamaterial media are derived by transmission-line method. Then, it is applied to double periodic photonic crystal structure, which is composed of two thin dielectric layers sandwiched by two thin metamaterial layers. The results show the structure has a large passband and a monotonous symmetric rising band edges compared with that for a conventional photonic crystal structure. If a defect layer is introduced, the localized modes appear. Furthermore, the number of transmission peaks in the photonic crystal structure can be tuned by changing the thickness of the defect in the structure. This photonic crystal may find application to broadband reflectors and the multi-wavelength narrow band optical filters.