用右手、左手材料制成的光子晶體的光學特性的研究.pdf

1、20世紀的信息產(chǎn)業(yè)是建立在電子通信的基礎上的，然而電子作為信息載體已經(jīng)逐漸不能滿足人們對于高速通信的要求，人們很自然的將目光投向了具有更多可利用資源的光子，而能夠控制光子行為的材料就是光子晶體。完整的光子晶體具有廣泛的應用范圍，而具有缺陷的光子晶體更吸引人們的目光。利用光子晶體的缺陷可以實現(xiàn)引導電磁波的目的，可以制作各種各樣性能優(yōu)異的光子晶體光學器件。近幾年來左手材料的興起又給光子晶體的研究開辟了一個新的領域，對科研人員來說，無論是理論

2、研究還是實驗研究，左手材料都提出了一系列新的課題，對左手材料性能的真正理解需要重新評價電磁理論的一些熟知的事實。當把左手材料和光子晶體結合起來研究的時候，可以發(fā)現(xiàn)很多有趣的事實。通常用來制作光子晶體的材料是一般的“右手材料”(相對于“左手材料”而言)，因為光子晶體具有周期性微結構，這一點和左手材料非常相似，所以這二者有著天然的聯(lián)系。 本博士論文介紹和總結了本人在讀博期間所做的關于低維光子晶體和左手材料光學性能的主要研究結果，其主

3、要內(nèi)容和結論總結如下。 (1) 本文提出了一種新的阻抗分析方法，采用這種新方法分析了一維光子晶體的反射系數(shù)、波導特征方程和波導模的場分布；并利用有限差分時域方法計算分析了二維光子晶體波導的帶結構和其中的局域模式。用阻抗分析方法我們得到了四個低階波導模的歸一化傳播常數(shù)隨波長的變化關系以及場的分布，和相關文獻的結果吻合的非常好，而計算過程更為簡便。對二維正方晶格和六方晶格光子晶體缺陷的帶結構進行的計算結果表明，在二維光子晶體中引入點

4、缺陷后，在原來完整的光子晶體的禁帶中會出現(xiàn)缺陷子帶，它的出現(xiàn)表明在光子晶體禁帶中對應于缺陷子帶的頻段，可以具有很高的透射率。 (2) 定量討論了光子晶體中的缺陷對禁帶寬度的影響。在缺陷參數(shù)連續(xù)變化的情況下，計算其相應的光子頻率禁帶寬度，發(fā)現(xiàn)對于某些特殊的參數(shù)值，光子晶體的禁帶完全消失，光子晶體的光學行為變得和普通的非均勻光學材料一樣。據(jù)此，率先提出了光子晶體材料中的“相變”概念。 (3) 利用雙層結構的轉移矩陣，計算了由

5、N個左、右手材料交替排列而構成的一維有限長度光子晶體的透射率和態(tài)密度。數(shù)值計算表明：在一定條件下，禁帶中出現(xiàn)了非尋常的態(tài)密度。這些禁帶中的態(tài)密度是由左、右手材料構成的一維光子晶體所特有的，它們可用于制造完全不同于常規(guī)濾波器的、頻帶狹窄的新型濾波器。另外，從一維光子晶體的色散關系出發(fā)，我們對由左、右手材料構成的一維光子晶體的能帶結構進行了數(shù)值計算，并討論了其特有的分離模和隧穿模，同時與完全由右手材料構成的一維光子晶體的能帶結構作了比較，得

6、到了一些新的重要結果。 (4) 利用有限差分時域(FDTD)技術，第一次研究了具有雙凹面結構的二維光子晶體的聚焦行為，通過模擬，我們發(fā)現(xiàn)它對點光源和平面波都有很強的聚焦效應。在該光子晶體的外面可獲得平面波的遠場聚焦，一個遠場點光源也可在光子晶體的界面附近形成聚焦，在遠場聚焦過程中伴隨著發(fā)生負折射現(xiàn)象，這就表明，不單左手材料可產(chǎn)生負折射現(xiàn)象，用通常的右手材料所制成具有某種界面結構的光子晶體也可產(chǎn)生負折射現(xiàn)象。在光學系統(tǒng)的設計和應用中，高清

7、晰度聚焦，特別是包括近場和遠場聚焦是一個先決條件，我們所作的工作對今后的有關高精度的光學系統(tǒng)的設計和應用，有一定的參考價值。 (5) 第一次研究了一維梳狀光子晶體中光子晶體效應對原子自發(fā)輻射的影響。由于有限的邊界，光子晶體中存在類似二、三維的完全能隙，可以通過調(diào)節(jié)原子的激發(fā)態(tài)能級與光子帶隙邊緣的相對位置以及原子的空間位置來控制沿軸向的原子自發(fā)輻射。探討了該光子晶體中一個三能級原子的自發(fā)輻射特性，光子態(tài)密度的分布以及原子能級與帶邊