二維空氣環(huán)型光子晶體的帶隙及負(fù)折射特性研究.pdf

1、光子晶體是一種介電常數(shù)呈周期性排列的人工材料，電磁波在其中傳播時(shí)會(huì)出現(xiàn)“禁帶”現(xiàn)象，利用光子晶體的禁帶可以控制光的傳播，從而在光信息處理方面帶來(lái)潛在的巨大應(yīng)用，光子晶體因此成為世界性的研究熱點(diǎn)。光子帶隙是光子晶體的重要特征之一，因此，對(duì)光子晶體的禁帶特性的研究是光子晶體研究的重要內(nèi)容之一。近年來(lái)，電磁波在光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象也引起了人們的廣泛關(guān)注。如果適當(dāng)選擇光子晶體的色散特性，光子晶體也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)超棱鏡、自聚焦、負(fù)折射、逆Cher

2、enkov輻射等效應(yīng)。 本文運(yùn)用時(shí)域有限差分法(FDTD)及平面波展開(kāi)法(PWM)等仿真軟件，研究了二維空氣環(huán)型光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)及負(fù)折射特性，并借助負(fù)折射成像原理設(shè)計(jì)了一種新型的點(diǎn)光源分光結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果為實(shí)驗(yàn)制作大帶隙光子晶體、光子晶體負(fù)折射材料及新型光子器件提供理論指導(dǎo)。 緒論部分，主要概述了光子晶體的基本概念、主要特征、應(yīng)用以及光子晶體的理論計(jì)算方法、主要研究方向，簡(jiǎn)單闡述了光子晶體負(fù)折射的物理機(jī)制及研究現(xiàn)狀。

3、 第一章，采用平面波展開(kāi)法計(jì)算了由不同材料組成的二維三角格子空氣孔和空氣環(huán)型光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光子晶體帶隙的影響。計(jì)算過(guò)程中分別選用了GaAs、Si、Ge三種材料組成的結(jié)構(gòu)，得到了最大光子帶隙對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)于空氣孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)三種不同材料完全帶隙的計(jì)算，并將帶隙寬度與帶隙位置進(jìn)行比較，我們得到如下結(jié)論：在相同占空比的條件下，背景材料的介電常數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的光子帶隙也會(huì)越來(lái)越大，而且會(huì)越來(lái)越趨近較低的頻率。對(duì)于空氣

4、環(huán)型光子晶體，當(dāng)空氣環(huán)外徑確定，內(nèi)徑逐漸增大時(shí)，完全帶隙的變化具有先變窄至消失，然后再次出現(xiàn)增寬又變窄的規(guī)律。對(duì)于具有較高折射率背景材料組成的光子晶體，空氣環(huán)型結(jié)構(gòu)可以得到更大的完全光子帶隙。如由Ge組成的光子晶體，空氣環(huán)型結(jié)構(gòu)的完全帶隙比空氣孔結(jié)構(gòu)可以增寬66％。 第二章，采用平面波展開(kāi)法和時(shí)域有限差分法研究了由空氣環(huán)組成的二維三角晶格光子晶體平板的負(fù)折射成像及負(fù)折射傳輸過(guò)程。對(duì)于外半徑為0.40a，內(nèi)半徑0～0.13α的空氣

5、環(huán)型光子晶體，在第二能帶中與有效折射率-1對(duì)應(yīng)的歸一化頻率分布在0.30左右，而且對(duì)于內(nèi)徑由0～0.13α變化的空氣環(huán)型結(jié)構(gòu)，歸一化頻率為0.30的電磁波均可以實(shí)現(xiàn)較理想的負(fù)折射成像。通過(guò)光子晶體有效折射率的計(jì)算，得到了有效折射率為-1的電磁波頻率隨空氣孔內(nèi)徑由0～0.20α變化的規(guī)律并由等頻率曲線(xiàn)形狀的變化解釋了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光子晶體平板成像的影響。 在計(jì)算三角晶格空氣環(huán)型光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)和等頻率曲線(xiàn)分布的基礎(chǔ)上，模擬了有效折射

6、率為-1的電磁波在平板和楔形結(jié)構(gòu)光子晶體中的負(fù)折射傳輸過(guò)程。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的空氣環(huán)型光子晶體可以產(chǎn)生較為理想的負(fù)折射現(xiàn)象，且特定頻率電磁波實(shí)現(xiàn)負(fù)折射對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求較低，有效的降低了實(shí)驗(yàn)室制作光子晶體負(fù)折射材料對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的苛刻要求。相對(duì)傳統(tǒng)的空氣孔(介質(zhì)柱)型光子晶體，空氣環(huán)型光子晶體增加了一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，因而更易于通過(guò)調(diào)節(jié)晶體結(jié)構(gòu)達(dá)到各種性能要求。在實(shí)驗(yàn)室采用X光刻蝕方法制作空氣環(huán)型光子晶體能夠節(jié)省大量的刻蝕時(shí)間，進(jìn)而可以降低光子晶

7、體的制作成本。 第三章，首先簡(jiǎn)單介紹的幾種常見(jiàn)的光子晶體的分光原理，然后討論了如何利用光子晶體的負(fù)折射特性來(lái)解決點(diǎn)光源的分光問(wèn)題，并根據(jù)實(shí)際需要提出了兩種不同的分光結(jié)構(gòu)，并對(duì)每種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，得到了盡可能理想的點(diǎn)光源分光結(jié)構(gòu)。從功能上說(shuō)，這兩種結(jié)構(gòu)的光子晶體分光器可以實(shí)現(xiàn)分功率；而如果光子晶體壁設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)，亦可以實(shí)現(xiàn)分頻的作用。換句話(huà)說(shuō)，如果在中心放一個(gè)白色點(diǎn)光源，在光子晶體的外側(cè)不同方向可能會(huì)得到不同顏色的像點(diǎn)