三維寬帶隙陶瓷光子晶體設(shè)計(jì)制造及其負(fù)折射特性研究.pdf

1、三維光子晶體是一種通過適當(dāng)設(shè)計(jì)可以控制電磁波傳輸?shù)娜斯ぶ芷诮Y(jié)構(gòu)。它因具有光子禁帶和負(fù)折射特性而使其研究具有重大的科學(xué)意義和廣泛的軍事應(yīng)用價(jià)值。光子晶體的結(jié)構(gòu)/材料/外形的多樣性和復(fù)雜性，使得其制造成為一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)光子晶體制造更是成為其發(fā)展的瓶頸。同時(shí)，由于缺乏有效的制造技術(shù)支持，光子晶體理論上計(jì)算的許多新的性能難以得已實(shí)現(xiàn)。本文以光固化快速成型技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合凝膠注模工藝，實(shí)現(xiàn)了多陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造，為推動(dòng)復(fù)雜結(jié)

2、構(gòu)光子晶體制造技術(shù)與理論研究相結(jié)合，探索光子晶體的新性能提供了一種新方法。
　　本文提出并設(shè)計(jì)了變半徑組合金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體和多介質(zhì)耦合光子晶體。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)變半徑組合光子晶體和多介質(zhì)耦合光子晶體能夠顯著增加光子晶體帶隙寬度，實(shí)現(xiàn)寬帶隙性能。研究了多區(qū)域分步填充陶瓷漿料實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)耦合復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的快速制造工藝，發(fā)現(xiàn)通過顆粒級(jí)配使陶瓷漿料的固相含量達(dá)到60 vol.％時(shí)仍具有較好地流動(dòng)性，采用冷凍干燥工藝使陶瓷零件的干燥收縮

3、率控制在1%以內(nèi)，燒結(jié)收縮率控制在3%左右。通過光固化成型結(jié)合多步凝膠注模工藝實(shí)現(xiàn)了多介質(zhì)耦合復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造，為光子晶體性能研究提供了有力地制造技術(shù)保證。
　　研究了變半徑、多介質(zhì)耦合和多固相含量陶瓷耦合對(duì)金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體帶隙性能的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：通過直接打破光子晶體結(jié)構(gòu)分布或介質(zhì)分布的均勻性，可有效拓寬其帶隙寬度，實(shí)現(xiàn)光子晶體的寬帶隙性能。對(duì)于變半徑光子晶體，隨著空氣球半徑減小率的增加，帶隙寬度明顯增大，最大帶寬

4、可達(dá)到完美光子晶體帶寬的234%，帶隙的中心頻率向高頻偏移。通過制造多種陶瓷耦合或多固相含量同種陶瓷耦合光子晶體結(jié)構(gòu)，控制其中一種陶瓷的種類或固相含量變化，也可以拓寬光子晶體的帶寬，實(shí)現(xiàn)其帶隙性能的可控性。變半徑組合結(jié)構(gòu)、多介質(zhì)耦合以及多固相含量陶瓷耦合光子晶體結(jié)構(gòu)的制造為拓寬光子晶體帶寬，實(shí)現(xiàn)其帶隙的可控性能提供了新途徑。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、陶瓷固相含量及收縮率對(duì)光子晶體性能的影響規(guī)律，建立了材料性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)與光子晶體帶隙中心頻率關(guān)

5、系的經(jīng)驗(yàn)公式。
　　研究了材料性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光子晶體負(fù)折射性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：隨著介電常數(shù)的增加，發(fā)生負(fù)折射的中心頻率向低頻偏移，頻率寬度逐漸減??；隨著圓柱半徑變化率的增加，負(fù)折射發(fā)生的頻帶中心頻率向低頻偏移，頻帶寬度逐漸增加；隨著晶格周期變化率的增大，發(fā)生負(fù)折射的頻帶中心頻率基本恒定，頻帶寬度逐漸減?。谎芯苛巳N微結(jié)構(gòu)形狀的光子晶體負(fù)折射性能，發(fā)現(xiàn)負(fù)折射的中心頻率變化范圍很小。正方形微結(jié)構(gòu)頻率寬度最大，其值為0.96GH