含特異材料的一維光子晶體的理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、光子晶體和特異材料分別是1999年和2003年美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的十大科學(xué)進(jìn)展之一，是當(dāng)今科學(xué)研究的兩大熱點(diǎn)。光子晶體是按照晶體的對(duì)稱性制備的周期性介電結(jié)構(gòu)，其電磁模式像晶體中的電子一樣具有能帶。光子晶體的光子能帶由光子晶體的對(duì)稱性、組分材料的介電常數(shù)和原胞的尺寸決定。特異材料是另一類具有新穎電磁特性的人工材料，它包括介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的負(fù)折射率材料和介電常數(shù)為負(fù)或磁導(dǎo)率為負(fù)的單負(fù)材料，已經(jīng)在微波段乃至近紅外通過(guò)人工制備實(shí)現(xiàn)。把

2、特異材料引入到光子晶體中，拓寬了光子晶體的研究范圍，發(fā)現(xiàn)了更多的物理機(jī)制和潛在應(yīng)用，已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 本論文通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了光在正、負(fù)折射率組成的一維光量子阱，含負(fù)折射率材料的準(zhǔn)一維類梳狀光子波導(dǎo)以及兩類單負(fù)材料組成的Thue—Morse準(zhǔn)晶等結(jié)構(gòu)的傳輸性質(zhì)。具體研究成果如下： (1)詳細(xì)推導(dǎo)了由兩類光子晶體組成的一維光量子阱中的共振模本征方程。利用該嚴(yán)格的理論結(jié)果，我們研究了由正負(fù)折射率材

3、料組成的一維光量子阱中的共振模特性。研究表明，在由正負(fù)折射率材料組成的一維光量子阱中，共振模式的個(gè)數(shù)等于阱區(qū)光子晶體的周期數(shù)目，而且這些共振模表現(xiàn)出全向的特征，對(duì)入射光的角度和偏振變化不敏感。這種光量子阱中的本征模幾乎對(duì)角度不變的特性可用來(lái)設(shè)計(jì)全向的多通道濾波器，其通道的個(gè)數(shù)以及通道間的距離可以通過(guò)改變阱區(qū)光子晶體CD的數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)。此外，我們還研究了N個(gè)一維光量子阱之間的耦合問(wèn)題。當(dāng)阱之間的距離較小時(shí)，光量子阱中的共振模發(fā)生N重分裂。并

4、且分裂的間距隨著勢(shì)壘寬度(阱間距離)的減小而增大。 (2)利用界面響應(yīng)理論，我們研究了旁支為負(fù)折射率材料，主軸為正折射率材料的準(zhǔn)一維類梳狀光子波導(dǎo)的帶隙結(jié)構(gòu)和透射系數(shù)。數(shù)值計(jì)算表明，在這種結(jié)構(gòu)中的帶隙中存在一些分立的模式。這些分立的模式的頻率與透射譜中的窄帶透射峰的頻率相對(duì)應(yīng)。同時(shí)還表明隨著旁支數(shù)目的增加，窄帶透射峰變窄，品質(zhì)因子增大。當(dāng)負(fù)折射率材料為色散和損耗模型時(shí)，上述性質(zhì)仍然存在。 (3)利用傳輸矩陣方法，我們研究

5、了由負(fù)介電常數(shù)材料和負(fù)磁導(dǎo)率材料組成的Thue—Morse結(jié)構(gòu)的反射和透射特性。結(jié)果表明：在這種結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)全方位反射帶，反射帶的位置和寬度不會(huì)隨著階數(shù)n的改變而改變。而且這個(gè)反射帶的大小由TE和TM模式共同來(lái)決定，表現(xiàn)出與介電型Thue—Morse結(jié)構(gòu)完全不同的特性。另外我們還發(fā)現(xiàn)了當(dāng)這種結(jié)構(gòu)的平均介電常數(shù)和平均磁導(dǎo)率等于零時(shí)，各階Thue—Morse結(jié)構(gòu)在同一個(gè)頻率附近出現(xiàn)一個(gè)平頂?shù)耐干鋷?。平頂透射帶?lái)自于對(duì)稱與反對(duì)稱隧穿模式的合

6、并。平頂?shù)膶挾瓤梢酝ㄟ^(guò)同時(shí)改變負(fù)介電常數(shù)材料和負(fù)磁導(dǎo)率材料的厚度來(lái)改變，可以用來(lái)制作帶通濾波器件。 另外，本文研究了一維磁光光子晶體共軛異質(zhì)結(jié)的磁光性質(zhì)。研究表明，在兩個(gè)相似磁光光子晶體組成的共軛異質(zhì)結(jié)表面處存在一個(gè)表面模式，對(duì)應(yīng)表面模處的光通過(guò)共軛異質(zhì)結(jié)的透射率隨著兩邊光子晶體的周期數(shù)的增大而減小，同時(shí)法拉第旋轉(zhuǎn)角增大，不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的透過(guò)率和大的法拉第旋轉(zhuǎn)角。但對(duì)于磁光光子晶體共軛多異質(zhì)結(jié)，可以通過(guò)耦合多個(gè)表面模式的方法來(lái)同