含頻率色散材料的有序結(jié)構(gòu)中特色模式的研究.pdf

1、光子晶體和奇異材料是當(dāng)今科學(xué)的兩大熱點(diǎn)。光子晶體是一種由介電常數(shù)材料在波長(zhǎng)尺度下按照一定規(guī)律有序排列的人工材料。目前，人們對(duì)光子晶體的研究已經(jīng)從原來的基于光子帶隙特性，擴(kuò)展到光子通帶特性。同時(shí)，研究的結(jié)構(gòu)從原來的由弱色散材料組成的周期系統(tǒng)，擴(kuò)展到由強(qiáng)色散材料組成的周期和準(zhǔn)周期系統(tǒng)。奇異材料是另外一種人工材料，它具有強(qiáng)頻率色散性質(zhì)。由于它的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以被設(shè)計(jì)在任意波段，因此它具有許多新奇和有趣的性質(zhì)。把奇異材料結(jié)合到光子晶體一類的

2、有序結(jié)構(gòu)中來研究，已經(jīng)成為了近年來一個(gè)重要的研究方向。 本論文通過理論分析和數(shù)值模擬，詳細(xì)地研究了幾類由強(qiáng)頻率色散材料(金屬和奇異材料)組成的有序結(jié)構(gòu)中缺陷模、界面模、截止帶、導(dǎo)模等特色模式的性質(zhì)。主要的研究成果包括以下五個(gè)方面： (1)推導(dǎo)了一維金屬介質(zhì)結(jié)構(gòu)的等效介質(zhì)理論，并提出了兩類光學(xué)波段的全吸收體。其一是寬帶全吸收體，其結(jié)構(gòu)是按準(zhǔn)周期排列而成的金屬介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有寬入射角、寬帶、雙偏振的全吸收特性；其二是窄帶全吸收

3、體，其特點(diǎn)是用四層結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)的全吸收。它們能實(shí)現(xiàn)全吸收的原因是：結(jié)梅中含有與趨膚深度可比或更小的、高本征吸收的材料，而且設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)具有更低群速度以及很好的阻抗匹配和相位匹配。 (2)系統(tǒng)地研究了二維金屬介質(zhì)光子晶體能帶結(jié)構(gòu)中特征頻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)完全禁帶存在于較大填充比結(jié)構(gòu)；完全負(fù)折射帶存在于較小填充比結(jié)構(gòu)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了E偏振截止頻率和填充比之間滿足線性增長(zhǎng)關(guān)系。這些研究對(duì)設(shè)計(jì)光子晶體的工作頻段和制作光子晶體都起著重要

4、的指導(dǎo)作用。 (3)研究了含任意頻率色散材料的摻雜一維光子晶體缺陷模頻率及其空間局域度。發(fā)現(xiàn)缺陷模頻移方向只與缺陷層材料的符號(hào)有關(guān)。隨著缺陷層厚度的增大，當(dāng)缺陷層材料為右(左)手材料時(shí)缺陷模頻率表現(xiàn)為紅(藍(lán))移；當(dāng)缺陷層為異號(hào)材料時(shí)則表現(xiàn)為孿生缺陷模性質(zhì)。同時(shí)，缺陷模的空間局域度只與兩邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)缺陷層為同號(hào)材料時(shí)，空間局域度最大值在禁帶中央出現(xiàn);而且當(dāng)兩邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)含奇異材料時(shí)，空間局域度最大值比不含奇異材料的要強(qiáng)。當(dāng)缺陷

5、層為異號(hào)材料時(shí)，孿生缺陷模的局域度有差異，表現(xiàn)為低頻模的局域度比高頻模的要大。 (4)提出了全動(dòng)量空間的零阻抗條件。任意滿足該條件的單異質(zhì)結(jié)必存在界面模。在金屬．光子晶體配置和光子晶體異質(zhì)結(jié)配置中，我們從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了零阻抗條件的正確性。同時(shí)，對(duì)于光子晶體異質(zhì)結(jié)配置，我們還提出了用相圖方法來尋找零阻抗點(diǎn)。在以奇異材料為基的配置中，我們發(fā)現(xiàn)其界面模的空間色散可正可負(fù)，而且其局域度比前兩個(gè)配置都強(qiáng)。零阻抗條件揭示了關(guān)于界面模的非常直觀

6、物理圖像，同時(shí)也可以作為尋找界面模的方法。 (5)研究了“單負(fù)材料-左手材料-單負(fù)材料”三明治結(jié)構(gòu)中的各種局域模式。研究表明，該結(jié)構(gòu)存在近零色散響應(yīng)，它們的出現(xiàn)源于在所有入射情況下由材料引起的各種相移均能互相抵消。利用之我們實(shí)現(xiàn)了雙偏振的多通道全向響應(yīng)。另一方面，當(dāng)電磁波沿界面?zhèn)鞑r(shí)，可以在TE波中獲得零群速度。具有零群速度的電磁波在內(nèi)外層界面處呈現(xiàn)出特有的漩渦狀。同時(shí)，在V<,g>=0附近的慢光區(qū)域，群速度色散非常小，這將有利