一维光子晶体的带隙研究

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了一维光子晶体的光学传输特性。考虑到实际需要给定波长为通带或禁带的光子晶体,研究了由光子带隙结构如何得到相应的光子晶体结构,结果表明本文方法完全能得到给定波长为通带或禁带的光子晶体。     

一维全息光子晶体基本周期对光子禁带的影响

利用由传输矩阵法得到的一维光子晶体的反射率计算公式,针对具体的一维全息光子晶体周期结构,计算了折射率调制周期的改变以及光学厚度的改变对光子禁带结构的影响．结果表明：随着折射率调制周期参数的增大,禁带宽度减小,禁带中心的位置移向短波;随着光学厚度的增大,禁带宽度增大,禁带中心的位置移向长波．在设计光子晶体时,可以根据需要,通过改变光子晶体基本周期结构的参数来实现对光子带隙的控制．     

含负折射率材料一维光子晶体异质结构的吸收特性研究

利用传输矩阵理论,研究了含负折射率材料一维光子晶体异质结构的吸收特性。发现光子晶体异质结构某些带隙内出现单向吸收峰。结果表明异质结构带隙内单向吸收峰的频率范围由构成异质结构的两个光子晶体各自的能带结构决定。另外发现异质结构在带隙单向吸收带内的吸收普遍高于其在通带内的吸收。该研究结果可用于制造单向吸收光学器件和提高光子晶体对光波的吸收。     

含增益缺陷层的1维三元光子晶体特性研究

为了设计出具有特殊光学特性的晶体,在不考虑色散的基础上,采用传输矩阵法对缺陷层为增益介质的1维三元光子晶体的光学特性进行了理论分析和数值模拟,主要研究了在0.242μm处能获得最大光放大时所对应的增益介质的厚度及光学常数,并讨论了当中心波长变化时的光放大特点。结果表明,当中心波长为0.3μm时,中心波长两侧存在着对应的禁带,改变缺陷层厚度及光学常数对该带隙结构的影响很小;但通带边0.242μm波长处获得很强的光放大。这一结果为今后获得具有所需特征缺陷的光子晶体提供了理论指导。     

基本周期对一维复周期光子晶体禁带的影响

利用由传输矩阵法得到的一维光子晶体的反射率计算公式,针对具体的一维复周期全息光子晶体的周期结构,计算了光学厚度的改变以及折射率调制周期的改变对光子禁带结构的影响。结果表明,随着光学厚度对比的增大,禁带宽度增大,禁带中心的位置移向长波;随着折射率调制周期参数对比的变化,出现了两个禁带,随着折射率调制周期参数对比的增大,两个禁带之间距离增大,禁带分别移向短波和长波处,短波处禁带宽度减小。在设计光子晶体时,可以根据需要,通过改变光子晶体基本周期结构的参数来实现对光子带隙的控制。     

波分复用各向异性光子晶体滤波器

从光子晶体的光子频率禁带特性出发，提出了用两个或两个以上的各向异性周期结构光子晶体叠加在一起，形成叠层结构光子晶体，以获得窄带滤波特性的设想；利用光学传输矩阵法研究了这种结构的光子晶体，分析了在不同入射角和折射率条件下，该周期结构的透射和偏振的光学特性。分析表明，各向异性光子晶体在折射率比值较大或与高折射率各向同性介质结合使用，可以获得较窄的通带，从而实现滤波。数值模拟的结果也证实了上述构思的正确性。     

太赫兹波段光子晶体传输特性的研究

为了得到光子晶体太赫兹波段的传输特性,研究了晶体材料和晶体类型两个主要因素对传输特性的影响。利用MATLAB程序分别优化计算得到宽禁带和窄禁带光子晶体材料的最大完全带隙以及不同晶格结构和最大完全带隙之间的关系。对于相同晶格结构,带隙随介电常数比增大,对于不同晶格结构,三角晶格形成的最大带隙最大,最后根据太赫兹波的性质设计了太赫兹传输器件。研究结果为太赫兹波器件的开发提供了理论依据。     

两端对称缺陷对对称结构光子晶体透射谱的影响

通过传输矩阵法理论,研究两端对称缺陷C对一维光子晶体ACmB(AB)n(BA)nBCmA透射谱的影响,发现:当无缺陷C时,透射谱符合镜像对称结构光子晶体的透射谱特征。当引入缺陷C后,随着缺陷折射率nC的增大,禁带中的透射峰逐渐变宽的同时向高频方向移动。缺陷周期数m及其光学厚度DC对透射谱的影响,在数值上具有明显的奇偶特性,m为奇数或DC为奇数倍时,禁带中心均出现一个较宽的通带,且通带宽度随着m或DC的增大逐渐变窄,而且通带上方的振荡加快,但通带中心所处频率位置不变;m为偶数或DC为偶数倍时,禁带中心均出现一条细窄缺陷模,且缺陷模的宽度随着m或DC的增大缓慢变窄,但其位置不变;两端对称缺陷对对称结构光子晶体透射谱的调制规律,为光子晶体设计窄带、宽带光学滤波器或光开关等提供指导。     

含负折射率材料一维三元光子晶体的特性研究

运用光学传输矩阵理论，研究了含负折射率材料一维三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。引入缺陷后，全方位光子带隙中出现缺陷模，它的位置对入射角不敏感，而且当各层介质厚度做一定比例的缩放时也几乎保持不变。     

波在不同色散特异介质一维光子晶体中的传播

对由两种不同色散模型的负折射特异介质构成的光子晶体,利用传输矩阵法研究了微波段的电磁波在其中传播特性.两种特异介质均为双负,TE波和TM波以相同的角度入射,有相同的带隙结构,且带隙结构对入射角不敏感.其中一种特异介质为电单负,而另一种特异介质为双负时,光子带隙对TE波的禁带随入射角的增大而展宽;而当入射角大于0.5 rad,TM波的禁带不再改变.结果表明,该结构的光子晶体带隙在某些频率内具有全向反射特性.     

变周期结构光子晶体的带隙研究

研究了变周期结构的光子晶体,即两种介质的厚度随单元数增加而变化,并对其光子能带特性进行了分析.研究发现,相对于周期性光子晶体,相同单元数的变周期结构的光子晶体具有更宽的光子能带带隙,且周期非线性变化比线性变化结构有更宽的光子带隙,这样对于同样宽的带隙的光子晶体,可采用较少单元数的变周期结构光子晶体,这一结果有助于光子晶体的广泛应用.     

入射角度对一维光子晶体禁带的调制研究

利用特征矩阵法,分别研究了不同偏振方式的波入射到光子晶体时,光子晶体的禁带随入射角度的变化.结果表明:不论是TM波入射还是TE波入射,随着入射角度的增大,光子晶体的带隙都向短波方向移动;TM波入射时,光子晶体的带隙随入射角度的增大而减小,而以TE波入射光子晶体时,随着入射角度的增大,光子晶体的带隙逐渐增大.     

ZnO光子晶体的制备及其光子带隙特性研究

利用重力场下的自组装,将单分散的ZnO胶体颗粒悬浮液自组装为三维光子晶体.通过扫描电镜图谱、透射光谱对制得的ZnO光子晶体进行了表征.结果表明,这种方法可得到排列有序的光子晶体,并且改变反应条件可以控制ZnO胶体球的尺寸.制得的样品有较宽的光子禁带,且禁带波长位置随胶体球粒径的减小和前处理温度的降低而蓝移.当入射光角度逐渐增大时,禁带中心位置有规律地向短波长方向移动.     

光子晶体及其自组装制备

自从理论计算指出金刚石结构具有完全光子带隙以来,三维光子晶体的理论研究和实验制作一直受到高度重视。光子晶体的制备方法总体上可分为两大类:微制作法和自组装法。前者适合于制备微波、远红外及近红外波段的光子晶体,后者制备近红外、可见或更短波段的光子晶体具有独特的优势。简述了光子晶体的概念和基本特征,并对三维光子晶体的自组装制备方法进行了综述。     

一维光子晶体全向反射镜的研究进展

光子晶体最显著的特点就是其具有光子带隙结构,可以通过抑制某些频率电磁波的传播来实现在该频段上的全反射,利用光子晶体的这一特性可做成全向反射镜,文章介绍了目前一维光子晶体全向反射镜的基本理论以及在几个主要波段上的实现.     

一种基于光子晶体的中远红外双波段兼容伪装材料

光子晶体作为一种新型人工结构功能材料,基于其光子禁带的高反射特性可以实现热红外伪装。选择红外波段透明的薄膜材料A、B,设计出在中远红外波段具有高反射禁带的光子晶体,利用薄膜光学理论的特征矩阵法计算了反射光谱。通过构造异质结构光子晶体,实现了光子带隙的展宽,该结构光子晶体基本上实现了中远红外双波段的高反射,在2.94~5.06μm和7.66~11.98μm波段的光谱反射率接近为1;在2.91~5.12μm和7.62~12.29μm波段的光谱反射率大于95%,较好地满足了中远红外双波段兼容伪装的要求。倾斜入射时光子晶体的TM波和TE波的反射光谱是不同的,随着入射角度的增加,TM波的带隙逐渐变窄,而TE波的带隙逐渐变宽。     

2维混合介质柱光子晶体传输特性的研究

为了研究晶体结构对电磁波传输特性的影响,提出了一种空气平板层和圆形复合介质柱混合组成的新型2维混合介质柱光子晶体结构。采用时域有限差分法对其进行了数值模拟和计算,研究了改变混合介质柱的形状和结构参量对晶体透射特性的影响。结果表明,该结构可以基本保留组合前光子晶体的主带隙,并且在新的频段产生新的禁带;在混合结构中将复合介质柱换为简单介质柱没有新的禁带产生。通过改变相关参量发现,增加介质平板的宽度,这增大内嵌介质柱的半径都有利于新禁带的产生。2维混合介质柱光子晶体比单一介质柱光子晶体有更多的可调因素,这为相关光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

垂直沉积法制备高质量胶体光子晶体

利用乳液聚合方法制备了粒径约为262 nm的单分散聚苯乙烯(PS)微球。通过控制溶剂蒸发温度和液体表面下降的速度,用垂直沉积法较快速地制备出了在较大范围呈现很好有序性的密排结构聚苯乙烯胶体光子晶体,其在626 nm波长处存在光子带隙。在扫描电子显微镜(SEM)下,观察到该胶体光子晶体是面心立方(fcc)密排结构。实验结果表明,对于粒径为262 nm的聚苯乙烯微球,在温度为55℃,质量分数为0.3%的情况下,当液体表面下降的速度约为每天3 mm时,可以得到高质量的胶体光子晶体。这种高质量的胶体光子晶体可以为利用模板技术制备具有完全带隙的有序孔结构提供较理想的模板。     

一维光子晶体的应变测量

采用ZnSe和Na3AlF6两种经典介质材料构造一维光子晶体,缺陷层介质为Na3AlF6。利用传输矩阵法对带有缺陷的一维光子晶体的传光特性进行了理论分析,并得到其带隙特性。分别数值研究了参考光子晶体以及应变前后测量光子晶体的透射谱,分析结果表明光子晶体所受的纵向应变与其缺陷峰波长之间呈线性关系,根据这种对应关系提出了一种新的测量应变的方法。由于粘贴光子晶体的基底与光子晶体的线膨胀系数不同,且温度变化也会引起构成光子晶体材料折射率的变化,导致光子晶体透射谱缺陷峰波长的漂移。为了消除温度误差,在测量光路中设置了与测量光子晶体结构相同的参考光子晶体,对温度的影响进行了补偿。实验表明,测量系统的灵敏度为6×10-4nm/με,测量范围为0～2000με。