反鐵磁光子晶體電磁性質(zhì)的理論研究.pdf

1、磁性材料作為光子晶體的組成成分是很有潛力的，它使得磁性光子晶體具有許多新穎的特性。由于反鐵磁的共振頻率位于遠(yuǎn)紅外波段，即THz頻段，對通信頻段的拓展有實(shí)用價(jià)值。本論文運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬的方法，對一維和二維反鐵磁光子晶體的帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)傳輸特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，探索一種數(shù)值收斂速度快的計(jì)算二維反鐵磁光子晶體帶結(jié)構(gòu)的理論方法。研究了反鐵磁/離子晶體多層膜的負(fù)折射現(xiàn)象和二次諧波生成。
　　采用傳輸矩陣法研究了一維反鐵磁光子晶體波導(dǎo)的帶

2、結(jié)構(gòu)和透射性質(zhì)。這種波導(dǎo)是由一維反鐵磁光子晶體填充到平板金屬波導(dǎo)中構(gòu)成的。波導(dǎo)除了具有光子帶隙外，還具有一種頻率帶隙，出現(xiàn)在反鐵磁共振頻率附近，主要是由于波導(dǎo)的厚度和反鐵磁材料的共振性質(zhì)產(chǎn)生的。適當(dāng)調(diào)節(jié)反鐵磁各向異性軸的方向和波導(dǎo)的厚度，這種頻率帶隙的寬度可以達(dá)到大塊反鐵磁體帶隙的15倍左右。一定條件下，在大塊反鐵磁體帶隙的頻段，一些電磁波模式是可以在波導(dǎo)中傳播的。因此，可以通過調(diào)節(jié)反鐵磁材料的性質(zhì)和波導(dǎo)的厚度來實(shí)現(xiàn)不同于大塊反鐵磁材料

3、的性質(zhì)，進(jìn)而控制電磁波在波導(dǎo)中的傳輸行為。
　　在短制備周期的情況下，采用等效介質(zhì)理論計(jì)算了反鐵磁/離子晶體多層膜中的電磁波能流密度和波矢之間的夾角以及電磁波的折射角。這種多層膜結(jié)構(gòu)是由反鐵磁層和離子晶體層交替排列構(gòu)成的。外加靜磁場為零，離子晶體的橫向光學(xué)聲子頻率略低于反鐵磁材料的共振頻率。研究發(fā)現(xiàn)，在這種簡單的多層膜結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了負(fù)折射和近似的左手性質(zhì)，并給出了它們出現(xiàn)的解析條件。然而，當(dāng)反鐵磁層的厚度小于離子晶體層的厚度時，多層

4、膜等效介質(zhì)中的負(fù)折射現(xiàn)象消失。對FeF2/TlBr多層膜等效介質(zhì)的數(shù)值模擬結(jié)果證實(shí)了這些解析結(jié)論。
　　研究了具有負(fù)折射和類左手性的反鐵磁/離子晶體多層膜的二次諧波生成。運(yùn)用非線性等效介質(zhì)理論計(jì)算了在外加靜磁場作用下的多層膜的二階非線性等效磁化率，在此基礎(chǔ)上計(jì)算并研究了多層膜等效介質(zhì)的二次諧波輸出能流密度。對FeF2/TlBr多層膜等效介質(zhì)的數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，在反鐵磁共振頻率附近，體系對泵浦波表現(xiàn)為負(fù)的折射率，而對二次諧波則表現(xiàn)為正的

5、折射率。這使得二次諧波生成被大大加強(qiáng)了，其輸出值可以達(dá)到大塊反鐵磁體的8倍。因此適當(dāng)?shù)膶㈦x子晶體加入到反鐵磁材料中利于二次諧波的生成。
　　將電子能帶理論中的格林函數(shù)方法拓展到磁性光子晶體的帶結(jié)構(gòu)研究，計(jì)算了在外加靜磁場環(huán)境下二維反鐵磁光子晶體的帶結(jié)構(gòu)。這種二維體系是由反鐵磁圓柱正方排列在基底介質(zhì)中構(gòu)成的，反鐵磁圓柱的磁導(dǎo)率為張量。對MnF2/空氣二維反鐵磁光子晶體的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，這種方法在反鐵磁共振和非共振頻率區(qū)間都具有快的