基于薄膜技術(shù)的光子晶體理論與器件研究.pdf

1、光子晶體是由介電常數(shù)不同的材料周期性分布而成，可以用來控制光的傳輸。本文主要涉及對(duì)基于光學(xué)薄膜技術(shù)制備的光子晶體材料的研究，包括數(shù)值模擬計(jì)算方法和薄膜光子晶體特殊效應(yīng)的研究以及薄膜光子晶體器件的制備和特性測試。對(duì)紫外區(qū)域一維薄膜光子晶體全角度反射鏡、薄膜光子晶體中的超棱鏡、偏振和負(fù)折射效應(yīng)以及金屬薄膜近場成像進(jìn)行了研究。 論述了根據(jù)角域疊加原理，在石英玻璃基板上用全介質(zhì)膜系實(shí)現(xiàn)了紫外區(qū)域全角度一維光子晶體反射鏡的設(shè)計(jì)。采用兩個(gè)不

2、存在全角度反射帶的一維光子晶體在角域上疊加，通過傳輸矩陣方法，從理論上計(jì)算合成光子存在全角度禁帶，禁帶波長范圍從328.95nm到352.11nm，相對(duì)帶寬為6.80％。實(shí)驗(yàn)上采用HfO2和SiO2兩種薄膜材料，若透射率在1％以下為光子晶體禁帶，則禁帶波長范圍從331.2nm到350.4nm，相對(duì)帶寬5.63％。從而證明了角域疊加設(shè)計(jì)的正確性。 研究了一維薄膜光子晶體結(jié)構(gòu)中光子晶體禁帶邊緣的超棱鏡效應(yīng)。設(shè)計(jì)了一個(gè)多層薄膜濾光片，

3、因?yàn)椴煌ㄩL的入射光在其內(nèi)部傳播的角度不同，所以在入射表面的反射高斯光束側(cè)向位移隨波長而變化。利用Maxwell方程組和電磁場切向分量邊界連續(xù)條件，求解多層薄膜內(nèi)、外各點(diǎn)的電磁場強(qiáng)度，從而求出反射光束的位移。 首次發(fā)現(xiàn)了一維薄膜結(jié)構(gòu)中當(dāng)膜系的反射群延遲為負(fù)時(shí)，反射光線會(huì)有負(fù)的側(cè)向位移現(xiàn)象，這與已報(bào)道的研究結(jié)果相比有更大的超棱鏡效應(yīng)。通過精確控制薄膜厚度的非極值鍍膜方法，制作了薄膜法布里—珀羅濾光片，組建了薄膜超棱鏡效應(yīng)的測試裝置

4、，實(shí)際觀測并測量了因超棱鏡效應(yīng)引起的空間色散位移。同時(shí)采用離散傅立葉分解法模擬、解釋了實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的反射光高斯光束分裂和透射光束加寬的現(xiàn)象。 提出了一種二維光子晶體偏振分光鏡的設(shè)計(jì)方法，介紹了光柵基板上用Ge/BaF2多層膜實(shí)現(xiàn)二維光子晶體偏振分光鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，E極化偏振模式的光子禁帶寬度為0.083(2πc/a，a是光柵的周期)，設(shè)計(jì)的偏振波長從1.72μm到2.4μm，相對(duì)帶寬為33.1％。此光子晶體偏振器件制作簡單

5、，具有實(shí)用性。采用時(shí)域有限差分(FDTD)方法模擬了垂直入射時(shí)的紅外波段二維光子晶體偏振分光鏡的透射譜，驗(yàn)證了用平面波方法計(jì)算的二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)。從實(shí)驗(yàn)上初步證明這種光子晶體在垂直入射時(shí)具有偏振特性。 研究薄膜二維光子晶體材料中的光的傳播行為，探討薄膜二維光子晶體材料中負(fù)折射率效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理。根據(jù)等頻率圖分析薄膜二維光子晶體材料中的負(fù)折射率效應(yīng)，深入研究了薄膜二維光子晶體材料的亞波長近場成像和自準(zhǔn)值等現(xiàn)象。設(shè)計(jì)了金屬銀薄膜的