新型多重开孔式声子晶体低频带隙研究

设计了一种新型多重开孔式局域共振声子晶体结构,结合有限元法计算并分析所设计结构的带隙生成机理和振动特性,并在此基础上进一步分析了带隙影响因素。结果表明,与传统的全连接结构相比,该单元结构质量较轻,且带隙更宽,可在40.8～256.7 Hz范围产生带隙,带隙宽度达215.9 Hz,占整个低频范围的92.95%。通过进一步优化结构参数,第一带隙起始频率可低至36.1 Hz,带宽为174.1 Hz。该结构保证较轻质量的同时可实现低频内的较宽带隙,对飞机、潜艇等舱室的低频降噪具有潜在应用前景。     

负电容声子晶体带隙特性研究

外接负电容的声子晶体具有可调的等效弹性模量。通过改变外接负电容的电容值,可改变等效介质的弹性模量。该文理论计算了等效弹性模量,结合位移矢量分析了带隙的产生原因及其影响因素。研究表明,外接负电容声子晶体具有可调的低频带隙,带隙随着外接负电容的变化而变化。     

压电分流声子晶体杆带隙调控研究

压电型声子晶体具有弹性波带隙特性,可用于噪声与振动控制。该文通过在环氧树脂杆上周期地布置含有负电容的压电分流单元,构造了压电声子晶体杆结构。为拓宽带隙,对此结构设计了3种元胞配置,运用传递矩阵法计算其带隙特性,并采用遗传算法对分流电路参数进行优化。理论与仿真结果表明,改变元胞中不同谐振频率的压电分流单元的个数,可以获得多个局域共振带隙,增强带隙可调谐性;运用算法优化可得到带隙调谐时分流电路参数值的最佳匹配,实现多个带隙的合并进而形成宽带,在不改变原有结构的基础上拓宽带隙。     

十字型结构声子晶体带隙及等效模型研究

该文设计了一种新型十字型声子晶体结构,并采用有限元法对其进行了研究;分析了此结构若干共振频率下的振动模态,分别建立了带隙起始频率与截止频率处振动模态的简化模型,探究了结构与材料参数对带隙的影响,验证了简化模型的合理性;最后计算了结构的反射系数与透射系数。结果表明,该结构带隙产生机理属局域共振型,能够在中低频段内产生一个完全带隙。通过对金属芯体密度、基体密度、包覆层的宽度及弹性模量等因素的调节,可以实现对带隙上、下界频率的调节,结构的反射系数与透射系数随入射波频率的变化也与带隙图相应证,当带隙图显示出现带隙时,结构的透射系数也随之下降。     

二维固-气声子晶体带隙特性的研究

本文基于时域有限差分法数值模拟了二维固-气正方声子晶体结构带隙特性,计算了填充率和晶格常数对带隙特性的影响,研究得到填充率在f=0.8时形成最宽带隙,这对声子晶体结构的设计提供了理论基础。     

声速对硅基氮化铝复合声子晶体带隙影响

该文基于布喇格散射机理,采用有限元仿真技术重点研究材料声速对二维AlN/B/Si复合声子结构体带隙特性的影响。首先以Mo作为B层,逐次分析AlN、AlN/Mo、AlN/Mo/Si出现最大带隙宽度时,AlN、Mo、Si各层厚度的最优值;然后分别选取具有声速梯度的材料作为B层,研究B材料声速对复合声子晶体带隙宽度变化率的影响。结果表明,当B层与Si、AlN的声速差值小于3 000 m/s时,B层厚度的变化引起复合声子晶体带隙宽度变化率低于25%,而B层与Si、AlN的声速差值越大,改变B层厚度会造成带隙宽度变化率越大,最高可达100%。     

一维声子晶体在防止低频噪声中的应用

应用集中质量法研究了集中质量数n、晶格常数a、组分比t、弹性模量E及密度ρ等因素对一维声子晶体带隙的影响.结果表明,带隙起始频率及带宽随a增加而减小,随t增加而快速增大(当t>1);带隙起始频率随两种材料E差值与ρ差值增加而减小,而带隙截止频率却不变;带隙精度则随n增加而增大.据此设计出一种能屏蔽约59～557 Hz范围内低频噪声的复合结构声子晶体.     

一维声子晶体杆状结构纵向振动带隙特性

基于传递矩阵法,以一维声子晶体杆状结构纵向振动带隙特性为研究对象,应用MATLAB编程,数值模拟了A为金、铜、铝和碳,B为环氧树脂时纵向振动带隙特性,得到铜与与环氧树脂构成一维声子晶体时,形成最大振动带隙宽度3．39KHz ,其中金能够形成较多的带隙区间。数值模拟了A为铜,B为硅橡胶、有机玻璃1、有机玻璃2和塑料时,得到A为铜,B为塑料时形成最大带隙在0．51KHz -7．06KHz ,带隙宽度为6．55KHz ,这两种组合形成了最大带隙宽度。A为铜,B为有机玻璃1时形成较多的带隙结构。研究结论为一维声子晶体器件制作提供参考。     

含分流电路Galfenol声子晶体的带隙与减振性能

利用Galfenol的逆磁致伸缩效应并通过分流元件调整其声子晶体带隙,以实现有效减振具有重要现实意义。基于磁致伸缩本构方程、Armstrong模型、法拉第定律、传递矩阵法和Bloch定理,推导了含分流电路的Galfenol有效弹性模量表达式,并建立其声子晶体振动模型。模型计算结果与实验结果对比表明,该模型能提供有效弹性模量随频率和分流电容变化的合理数据趋势,并能预测Galfenol参数随应力变化的非线性特性。分析了该声子晶体在开路下,其布喇格带隙(BBG)衰减常数峰值和截止频率随应力的变化规律,确定了器件减振的最佳工作点;分析了该声子晶体在不同分流电容和应力下的BBG、共振带隙(RBG)及其共振公共带隙(RCBG)特性,结果表明,较小分流电容、较大磁机耦合因子和较大电感可显著提高器件减振性能。     

新型多重谐振结构声子晶体隔声特性

提出了一种新型多重谐振结构声子晶体,该声子晶体结构属于局域共振结构,在300~2 500 Hz频率内有2个较宽的完全带隙和1个方向带隙。在带隙频率范围内对应有隔声峰,改变内、外层散射体材料能在不同频率范围内获得隔声峰。为拓宽隔声峰的频率范围,通过将不同散射体材料组成不同单元结构复合,在不同频率范围内发挥出较好的隔声效果。通过有限元法分析了影响结构复合隔声效果的关键因素。研究表明,采用结构复合能有效改善隔声效果,复合方式以结构间设置一层空气作为缓冲介质为最佳。     

二维光子晶体的带隙分析

研究了三角形二维光子晶体的带隙随结构参数的变化规律。计算表明 ,对于空气柱等边三角形二维光子晶体 ,当介电常数比为 13:1时 ,最佳填充比为 0 .78,最大带宽是 0 .0 94 (Δωa/2πc) ;当填充比固定时 ,介电常数比大于 8才会有带隙出现 ,且介电常数比越大 ,带隙越宽 ;两个晶格矢量的夹角与最佳夹角偏离 60° ,向上最大达到 74°、向下最大达到 4 6°时带隙消失。     

二维光子晶体带隙结构透过率的研究

计算了二维光子晶体TM模透射率频率分布,并用FDTD+PML边界方法对光子晶体传输特性进行分析,直观地给出了光在光子晶体中的光场分布,分析了不同网格精细度和晶体层数对于透过率的影响。     

二维液晶光子晶体的带隙特性分析

利用平面波法分析了二维液晶光子晶体的带隙结构,着重对三角形和正方形空气孔光子晶体带隙随液晶旋转角的变化情况进行了分析和比较.仿真结果表明,两种结构的光子晶体都可以通过改变填充液晶的转向角来实现带隙的动态可调性.正方形结构对填充比要求较高,制备难度大,而三角形结构带隙变化范围大,适当增加填充比还可以得到更好的可调性能,因此在实际应用中应尽量选择三角形结构的液晶光子晶体.利用液晶光子晶体的动态可调性,可以制成多种光通信系统中需要的器件,如全光开关、滤波器等,不仅可以节约成本,避免相似产品的重复购置,还可以提高系统的灵活性.     

基于液晶填充的带隙型光子晶体光纤的滤波特性

在实芯光子晶体光纤的周期排列的空气孔包层中,填充高折射率液晶介质,使其形成光子带隙.由于填充后低折射率的纤芯周围分布着高折射率液晶棒,光子晶体光纤的横向因布拉格反射而形成了许多传输带,呈现多通道滤波特性.基于光子带隙理论,利用平面波展开法对填充液晶前后光子晶体光纤传导机制的转变进行了探讨,研究了填充液晶对光子晶体光纤滤波性能的影响.结果表明,当电场增大时,滤波通道中心向长波方向移动,滤波通道带宽增大;而对于相同的外加电场,随着液晶折射率的逐渐增大,滤波特性与电场增大情况类似,光子带隙开始向长波方向漂移,同时带隙的宽度也逐渐变大.

Abstract：

The photonic band gap is proposed by filling high-index liquid crystal into its periodically arranged air holes of the clad of solid core photonic crystal fibers (PCFs).Owing to the high-index liquid crystal clubs arranged around the low-index core after filling,PCFs show conductive bands and multi-channel filtering properties induced by transversely Bragg reflectance.Based on photonic band gap theory and plane wave expansion method,the effect of liquid crystal on the conduction change of PCF and filtering properties are researched.The results show that with the increase of electric filed,the filter channel center moves to long wavelength,and the bandwidth of filter channel increases.However,for the same applied electric field,with the increase of refractive index,the photonic band gap moves to long wave length and meanwhile the band gap increases.     

正十二边形光子晶体光纤光栅特性的研究

设计了一种包层结构为圆形空气孔呈正十二边形对称排列的光子晶体光纤,通过Comsol软件结合有限元法,得出各波长与传输模式有效折射率之间的函数关系。结合耦合模理论和传输矩阵法,利用Matlab软件,对正十二边形结构的光子晶体布拉格光纤光栅的反射谱特性进行了研究分析,具体分析了不同占空比下的传输模式以及反射谱特性。研究表明随着光波波长的增加,传输模式的有效折射率随之下降;随着空气孔层数的增加,谐振波长增大,谐振峰强度增强。随着占空比的增大,传输模式数增多,谐振波长减小,而谐振峰强度基本不变。     

光子晶体应用于在浓度检测上的模拟研究

采用平面波展开法数值计算了对二维光子晶体在TE和TM偏振态下的带隙进行了计算,给出了光子晶体中的禁带存在的理论依据,选择二维三角晶格光子晶体(GaAs)作为基底,在空气孔内填充浓度(质量百分浓度)为一定的待测溶液硫酸铜材料,通过计算得到了温度为298K情况下介电常数在71.917-62.530变化时,待测浓度的对应关系,并由此得到液体填充的光子晶体在不同偏振模式下光子禁带结构.结果表明,以硫酸铜的水溶液作为空气圆孔中的介质材料,当溶液质量百分浓度不同时光子带隙(PBG)发生变化。这对溶液浓度检测应用方面有一定的指导作用。