光脈沖通過含特異材料的一維光子晶體的傳播研究.pdf

1、光子晶體是一種由折射率周期性分布而形成的人工晶體材料。它的基本特征是具有光子帶隙。頻率落在光子帶隙中的光的傳播被禁止，這一性質(zhì)被用來調(diào)控光子的運動。作為一種新型材料光子晶體可以像半導(dǎo)體控制電子那樣控制光子的運動，所以被認為是最有前景的光電材料。近年來，特異材料在理論和實驗上也引起了人們的廣泛關(guān)注。特異材料是指人工設(shè)計的對電磁波具有特殊響應(yīng)性質(zhì)的材料。特異材料包括介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負值的雙負材料和介電常數(shù)或磁導(dǎo)率兩者之一為負值的單負材

2、料。特異材料具有許多和普通正折射率材料不同的電磁特性，如負折射、逆Doppler效應(yīng)與逆Cherenkov 輻射、平面鏡聚焦成像等。 光子晶體等人工材料的主要功能是控制光的傳播。一般情況下，光信號都是以脈沖形式傳播，光脈沖的傳播行為由介質(zhì)的色散性質(zhì)決定。介質(zhì)的色散可以人為地設(shè)計，通過適當構(gòu)造“人工原子”以及適當?shù)嘏帕羞@些人工原子可以。改變介質(zhì)的整體色散性質(zhì)。特異材料是一種人工色散材料，光波在這種色散材料中的傳播行為與頻率有關(guān)。介

3、質(zhì)的色散主要來源于光與物質(zhì)的相互作用。 本文主要考慮將色散介質(zhì)作為組分材料置于一維光子晶體這種特殊環(huán)境中，布拉格散射與物質(zhì)色散兩種色散機制的聯(lián)合作用對光傳播的影響。討論光在含特異材料的一維光子晶體中的傳播行為。通過數(shù)值計算和計算機模擬，做了以下方面的理論研究。 第二章從麥克斯韋方程出發(fā)，推導(dǎo)了適合于普通材料的一維光子晶體、含負折射率材料的一維光子晶體以及含單負材料的一維光子晶體中單色場的傳輸矩陣，將各種頻率的單色場積分后

4、得到光脈沖的傳播行為。 第三章簡述了含有Drude-Lorentz模型的折射率材料的光子晶體由于原子的偶極振蕩引起的物質(zhì)色散與Bragg散射引起的結(jié)構(gòu)色散導(dǎo)致的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效折射率的改變。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)有效折射率可通過復(fù)數(shù)透射系數(shù)的大小與相移來定義。對于含有Drude-Lorentz模型的負折射率材料的光子晶體，發(fā)現(xiàn)在一維含色散負折射率材料缺陷的光子晶體微腔中，體系的復(fù)有效折射率與光子晶體的結(jié)構(gòu)色散和介質(zhì)的物質(zhì)色散有關(guān)。隨著介電

5、周期數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)色散增強，導(dǎo)致體系的有效色散增強。若增加色散層的厚度或振子強度，使介質(zhì)的物質(zhì)色散得到增強，也將導(dǎo)致體系的有效色散增強。在體系的電振蕩與磁振、蕩兩共振頻率之間出現(xiàn)一個反常色散的頻率區(qū)域。在一維含色散正折射率材料缺陷的光子晶體微腔中，隨著周期數(shù)的增加和色散層厚度或振子強度的增強，可以實現(xiàn)由超光速到極慢光速傳播的轉(zhuǎn)變。因此，可以適當?shù)卣{(diào)整材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)來任意剪裁復(fù)合材料的色散性質(zhì)。 第四章研究了光脈沖在由正、負折

6、射率材料交替生長的一維光子晶體中的傳播。主要考慮光場的時一空演化和能流密度的時一空演化。由于含負折射率材料的光子晶體有較大的折射率反差，導(dǎo)致較寬的截止帶，在帶隙內(nèi)等效色散變化平緩，使處于一維含負折射率材料的光子晶體帶隙中的頻帶較寬的短脈沖通過光子晶體的透射脈沖近似保持形狀不變，而對同樣的短脈沖通過普通的一維光子晶體的透射脈沖則出現(xiàn)嚴重的畸變。當考慮含色散的負折射率材料時，發(fā)現(xiàn)對處于零平均折射率帶隙和布拉格帶隙的窄脈沖透射都會呈現(xiàn)超光速傳

7、播并保持原有形狀，而處于帶邊則呈現(xiàn)慢光速傳播。通過對光脈沖在一維光子晶體中傳播的能流密度在光子晶體內(nèi)部的動力學(xué)行為的詳細研究，可以清楚地了解每一時刻光脈沖在光子晶體中各處的能量輸運的細節(jié)。 第五章研究了光脈沖在由兩種單負材料交替生長的一維光子晶體中的傳播。當介質(zhì)的介電函數(shù)或磁導(dǎo)率之一為負時，該介質(zhì)稱為單負材料。討論了光脈沖通過一維由兩類單負材料組成的光子晶體的傳播行為，發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)兩種單負材料的厚度比來實現(xiàn)短脈沖在其中的不失