光子晶體等效介質(zhì)描述的理論與實驗研究.pdf

1、光子晶體和特異材料是兩類不同類型的人工微結構,這兩類材料對電磁波有許多自然材料所不具備的調(diào)控作用。其中,特異材料是一類局域共振機制的亞波長結構。包括兩種,一種是介電常數(shù)和磁導率都小于零的雙負材料,又被稱作左手材料；另外一種是介電常數(shù)和磁導率其中一個小于零的單負材料。單負材料又可以分為負介電常數(shù)材料(介電常數(shù)小于零同時磁導率大于零)和負磁導率材料(磁導率小于零同時介電常數(shù)大于零)。雙負材料具有許多奇異的物理性質(zhì),比如雙負材料和雙正材料的界

2、面可以發(fā)生負折射,雙負材料可以構成亞波長平板‘完美透鏡’等等。單負材料對電磁波不透明,只支持迅衰波,但是負磁導率材料和負介電常數(shù)材料的匹配對可以通過光隧穿效應而完全透明。介質(zhì)光子晶體是一類基于Bragg散射機制的人工微結構,光子晶體帶隙對電磁波也是不透明的且僅支持迅衰波,從整體上看,光子晶體帶隙對電磁波的調(diào)控與一個單負材料的行為非常類似。因此有必要從整體上研究光子晶體帶隙的等效參數(shù),研究光子晶體帶隙是否能等效為單負材料,以及等效為何種單

3、負材料。 研究發(fā)現(xiàn),光子晶體與均勻材料或者其他光子晶體可以形成位于光子晶體帶隙處的光子隧穿界面模式,這類界面模式又被稱為光學Tamm態(tài)。由于這類結構有利于極化激光的產(chǎn)生而受到研究者廣泛關注。在這類異質(zhì)結中,光子晶體帶隙也顯示出類似單負材料的性質(zhì)。但是,沒有研究者給出光子晶體帶隙在中的等效參數(shù),目前也沒有給出如何準確設計實際的光學Tamm態(tài)的方法。本文中,我們利用標準的等效參數(shù)提取方法研究了光子晶體帶隙的性質(zhì),結果表明光子晶體帶隙

4、確實具有負的等效介電常數(shù)或者負的等效磁導率?；诘刃Ы橘|(zhì)理論,給出了設計光學Tamm態(tài)的有效方法,并且第一次用微帶線在實驗上實現(xiàn)了光學Tamm態(tài)。 在論文第二章,我們利用傳輸矩陣并結合參數(shù)提取方法,得到了介質(zhì)光子晶體的等效介電常數(shù)和等效磁導率,同時也得到了其等效折射率和等效阻抗。研究發(fā)現(xiàn),對于一般的非對稱單元組成的光子晶體,其帶隙等效參數(shù)分裂為兩部分,一部分具有負的等效介電常數(shù)和正的磁導率,另一部分具有負的磁導率和正的介電常數(shù)。

5、若是對稱單元組成的光子晶體,其帶隙總是一個相當于負磁導率材料特性,下一個帶隙相當于負介電常數(shù)材料性質(zhì),并且交替出現(xiàn)。我們還發(fā)現(xiàn),這些等效參數(shù)敏感地依賴于光子晶體的界面截斷方式。其次,給出的光子晶體通帶的折射率和阻抗表明,發(fā)生負折射時,光子晶體和空氣并不匹配,因此有不少能量被反射掉。光子晶體等效阻抗可以幫助找到合適的背景環(huán)境,減少反射,提高成像質(zhì)量。由此,也提供了一種修正光子晶體透射帶形狀的方法。在論文第三章,我們研究了光子晶體異質(zhì)結構產(chǎn)

6、生的隧穿界面模,因與固體物理中的電子Tamm態(tài)形成條件相似,這類模式稱作光學Tamm態(tài)。我們分別考慮了三種情況的異質(zhì)結：光子晶體和負介電常數(shù)材料、與負磁導率材料以及與另外一個光子晶體。我們第一次提出了利用虛阻抗匹配和虛相移匹配來理解和設計這類隧穿模。計算表明,雖然構成異質(zhì)結的兩個結構對某個特定頻率是不透明的,在滿足匹配條件的情況下,異質(zhì)結結構發(fā)生了接近完全透射的透射峰。由此說明了,該類界面模式和特異材料中的兩種單負匹配對形成的隧穿模具有

7、相似的機制,這為設計光學Tamm態(tài)提供了簡便有效的方法。場強分布顯示,在單獨結構中的存在的迅衰場得到了放大,從結構兩邊向異質(zhì)結界面指數(shù)增長,大部分能量集中于異質(zhì)結界面附近。除了上面介紹的一維光子晶體,我們還設計了二維光子晶體,同樣觀察到了匹配條件決定的界面模。 在第四章,設計了微帶線光子晶體進行了實驗驗證。單負帶隙由加載集總電容電感的傳輸線來實現(xiàn),通過在微帶線上表面制作周期的方環(huán)結構構造普通光子晶體帶隙。我們制作了三種類型的異質(zhì)