含負(fù)折射率材料一維光子晶體光學(xué)特性的研究.pdf

1、光子晶體(Photonic Crystal)是由電介質(zhì)材料周期性排列構(gòu)成的人工晶體材料。光子晶體具有的基本特性是光子帶隙，因而能象半導(dǎo)體控制電子一樣控制光子的運(yùn)動(dòng)。由于其獨(dú)特的特性，光子晶體可以用來制作全新原理的、高性能的光學(xué)器件，它在光電器件和光學(xué)芯片等方面有著誘人的應(yīng)用前景。 最近幾年，一種具有負(fù)折射率的人工復(fù)合材料在理論與實(shí)驗(yàn)上引起了廣泛關(guān)注；把負(fù)折射率材料引入到光子晶體中，必然會(huì)使得光子晶體具有許多新的物理性質(zhì)。因此，

2、含負(fù)折射率材料的一維光子晶體的研究成為光子晶體研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。 本文圍繞光在含負(fù)折射率材料的一維光子晶體中的傳播行為，主要通過數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬，做了以下幾方面的理論研究： 我們對(duì)含雙負(fù)缺陷的一維光子晶體耦合腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。首先從從麥克斯韋方程出發(fā)，利用邊界條件得到普通材料的光子晶體的傳輸矩陣。然后把負(fù)折射率材料引入到模型中，利用傳輸矩陣法，得到傳輸矩陣元的遞推式，從而可以計(jì)算含負(fù)折射率材料(常數(shù))一維光子晶體的

3、透射率。計(jì)算結(jié)果表明，如果改變?nèi)毕莸恼凵渎?，缺陷模之間的耦合作用將發(fā)生改變，使得光子帶隙中的雜質(zhì)帶也隨之改變。若缺陷的折射率取適當(dāng)?shù)闹?，就可以在禁帶中同時(shí)得到幾個(gè)尖銳的透射峰和較寬的通帶。 除了對(duì)雙負(fù)材料缺陷進(jìn)行研究，我們還對(duì)含單負(fù)材料的一維光子晶體進(jìn)行了研究，其中材料的負(fù)折射率為常數(shù)。同樣利用傳輸矩陣法，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明，選擇合適參數(shù)，使得雙缺陷滿足零平均折射率條件，該缺陷就不會(huì)影響光子帶隙，這是一種新的光學(xué)現(xiàn)象。而傳統(tǒng)

4、的一維光子晶體，由于缺陷的加入，會(huì)在光子帶隙中出現(xiàn)缺陷模。當(dāng)滿足ε和μ為零的條件時(shí)，雙缺陷中傳輸矩陣相當(dāng)于一個(gè)單位矩陣，即：相當(dāng)于一層透明材料；而且此兩層單負(fù)材料厚度的增加時(shí)，其中的場(chǎng)強(qiáng)度成指數(shù)增加，帶邊的場(chǎng)被強(qiáng)烈的局域，與放在真空中的雙缺陷相比，帶邊的場(chǎng)局域效應(yīng)更加明顯。 然后我們研究了由正折射率材料和色散材料組成的一維周期性光子晶體的透射特性。計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光波正入射該結(jié)構(gòu)后，在該結(jié)構(gòu)的透射譜中存在兩個(gè)光子帶隙，一個(gè)為n=

5、0帶隙，另外一個(gè)為普通的Bragg帶隙。該n=0帶隙與普通的Bragg帶隙相比，受光波的入射角和電場(chǎng)的極化方向的影響相對(duì)更不敏感，是一種全方位帶隙。而隨著光波的入射角的改變，在1/4波堆的帶隙中心頻率ω<,0>附近出現(xiàn)一個(gè)異常帶隙。該帶隙的光學(xué)特性與n=0帶隙顯著不同。該帶隙對(duì)光波的入射角的改變十分敏感，并且隨著入射角的增大，以頻率ω<,0>為對(duì)稱點(diǎn)向兩側(cè)加寬。在上述研究工作的基礎(chǔ)上，將負(fù)折射率材料用具有色散的Drude模型來討論。同樣

6、采用傳輸矩陣，得到含負(fù)折射率材料一維光子晶體的傳輸矩陣及透射率的表達(dá)式。色散材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是隨光波的入射頻率調(diào)制，因而色散材料可以調(diào)成負(fù)折射率材料。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)滿足ε和μ為零的條件時(shí)，雙缺陷中傳輸矩陣相當(dāng)于一個(gè)單位矩陣，即：相當(dāng)于一層透明材料；而且此兩層單負(fù)材料厚度的增加時(shí)，其中的場(chǎng)強(qiáng)度成指數(shù)增加，帶邊的場(chǎng)同樣被強(qiáng)烈的局域。進(jìn)而我們又研究了由兩類單負(fù)材料組成的一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的透射譜及場(chǎng)分布。計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn)，選擇合