等離子體光子晶體的FDTD分析.pdf

1、光子晶體是一種由兩種介電常數(shù)不同的介質(zhì)周期性排列構(gòu)成的人工材料，即所謂的“光半導(dǎo)體”。由于其獨(dú)特的性能和潛在的巨大的應(yīng)用前景，光子晶體已成為近十多年來(lái)國(guó)際科學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。 等離子體光子晶體是等離子體和介質(zhì)或真空構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)。本文分別對(duì)一維和二維以及三維的等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真研究，研究了不同幾何結(jié)構(gòu)和等離子體參數(shù)下電磁帶隙結(jié)構(gòu)的特性，以掌握其帶隙與等離子體光子晶體各項(xiàng)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)的具

2、體設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。 由于等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使人們難以對(duì)其做定性的或者解析分析，只能應(yīng)用繁復(fù)的數(shù)值模擬，因此等離子體光子晶體計(jì)算方法是本論文的主要內(nèi)容之一。 時(shí)域有限差分方法(FDTD)在電磁場(chǎng)數(shù)值模擬領(lǐng)域正受到越來(lái)越多的注意。它直接在時(shí)域求解離散化了的麥克斯韋方程組，能模擬任意幾何形狀的結(jié)構(gòu)；它的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)輸入脈沖得到脈沖響應(yīng)進(jìn)行傅立葉變換，一次計(jì)算出包含很大頻率范圍的結(jié)果。 本文使用了一種

3、新的色散介質(zhì)的積時(shí)域有限差分方法，分段線性電流密度遞歸卷積時(shí)域有限差分方法，來(lái)處理等離子體光子晶體結(jié)構(gòu)模型中復(fù)雜的等離子體部分的計(jì)算。 光子晶體的主要特性就是光子禁帶，然而只有特殊的周期結(jié)構(gòu)才有光子禁帶，因此光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是光子晶體理論研究的重要內(nèi)容。本文分析了等離子體光子晶體的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)帶隙的影響。研究發(fā)現(xiàn)，介電常數(shù)階躍變化越大，越容易頻繁地出現(xiàn)電磁帶隙。當(dāng)介電常數(shù)變化相近的時(shí)候，電磁帶隙幾乎消失。文章還進(jìn)一步計(jì)算了二維離子

4、體光子晶體中等離子體參數(shù)對(duì)帶隙的影響。結(jié)果表明隨著等離子體頻率的升高，帶隙特性越發(fā)明顯，帶隙深度增加，寬度也再明顯加大。另外，本文還對(duì)三維等離子體光子晶體帶隙作了初步的數(shù)值仿真。 為了進(jìn)一步增大帶隙的范圍，文中分析了復(fù)合結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體的電磁特性，本論文提出了的串聯(lián)復(fù)合周期結(jié)構(gòu)等離子體光子晶體，由兩種參數(shù)結(jié)構(gòu)的等離子體光子晶體構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)了一種一維復(fù)合周期結(jié)構(gòu)光子晶體結(jié)構(gòu)和一種二維復(fù)合周期結(jié)構(gòu)光子晶體結(jié)構(gòu)，計(jì)算出了相應(yīng)的光