負(fù)折射及單負(fù)折射材料一維光子晶體的光學(xué)特性研究.pdf

1、光子晶體(photoniccrystals)是折射率在空間周期性變化的介電結(jié)構(gòu)，其周期性和光的波長(zhǎng)為同一個(gè)數(shù)量級(jí)。光子晶體也稱為光子帶隙材料(photonicbandgapmaterials)。光子晶體具有很多特異的電磁性質(zhì)，如光子帶隙特性，自發(fā)輻射的抑制，光子雙穩(wěn)態(tài)特性，光子局域特性等。這些特性在光學(xué)領(lǐng)域具有非常高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也吸引了許多專家學(xué)者對(duì)它進(jìn)行深入的研究。 普通光學(xué)介質(zhì)制作而成的光子晶體的光學(xué)特性隨電磁波的入射角

2、度、偏振取向、單元介質(zhì)厚度、高低介質(zhì)折射率差值的不同發(fā)生改變。這種變化在實(shí)際元件的應(yīng)用中得不到更好的控制。1968年前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago曾對(duì)電磁波在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的媒質(zhì)中的傳播特點(diǎn)作了純理論的研究。自此以后對(duì)于負(fù)折射介質(zhì)的研究引起了人們的興趣，并且2000年人們制作出了等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的媒質(zhì)；而后又發(fā)現(xiàn)了等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率分別為負(fù)數(shù)的單負(fù)折射率媒質(zhì)。 本論文將普通一維光子晶體的傳輸矩陣

3、理論進(jìn)行修正，推導(dǎo)出了適用于含負(fù)折射材料的一維光子晶體以及單負(fù)折射率材料組成的一維光子晶體的傳輸矩陣?yán)碚?。并由修正后的傳輸矩陣?yán)碚撗芯苛撕?fù)折射率材料的一維光子晶體和單負(fù)折射率材料組成的一維光子晶體中產(chǎn)生的全方位光子帶隙和布拉格帶隙的特性、光子缺陷局域特性及光子晶體的色散特性。研究中發(fā)現(xiàn)在由負(fù)折射與正折射介質(zhì)交替排列組成的光子晶體中存在著一種對(duì)入射電磁波的入射角度、電磁波的極化方向具有不敏感特性的光子帶隙；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成光子晶體的單元

4、介質(zhì)厚度等比例縮放時(shí)光子帶隙在頻譜中的位置也非常穩(wěn)定。由于負(fù)折射率介質(zhì)只在某個(gè)頻率段出現(xiàn)負(fù)折射現(xiàn)象，所以在含負(fù)折射率的光子晶體中同時(shí)存在著全方位光子帶隙和布拉格帶隙；當(dāng)引入缺陷時(shí)，全方位光子帶隙里的局域態(tài)隨入射角度、極化方向、單元介質(zhì)厚度同比例縮放的變化相對(duì)穩(wěn)定；而處于布拉格帶隙里的局域態(tài)在頻譜域內(nèi)變化很大。在由單負(fù)折射率介質(zhì)組成的光子晶體存在的透射波模式不同于普通光子晶體中的透射波模式，同時(shí)要受到單負(fù)介質(zhì)的局域作用；所以在單負(fù)折射率介

5、質(zhì)組成的光子晶體中存在著獨(dú)特的全方位光子帶隙和局域模式。本論文也對(duì)以上兩種特殊介質(zhì)的光子晶體的色散特性進(jìn)行了模擬，直觀地體現(xiàn)它們色散特性的同時(shí)也從色散方面解釋了全光子帶隙形成的原因。 作為由新型材料構(gòu)成的光子晶體具有普通光子晶體所沒有的光學(xué)特性，對(duì)這些光子晶體特性以及晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究有非常重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。它們將會(huì)在光信息傳輸、處理等方面有不可替代的作用。所以對(duì)于負(fù)折射率介質(zhì)和單負(fù)折射率介質(zhì)組成的光子晶體的研究將會(huì)