負折射及單負折射材料一維光子晶體的光學特性研究.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為同一個數(shù)量級。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。這些特性在光學領域具有非常高的實際應用價值，也吸引了許多專家學者對它進行深入的研究。 普通光學介質(zhì)制作而成的光子晶體的光學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。這種變化在實際元件的應用中得不到更好的控制。1968年前蘇聯(lián)科學家Veselago曾對電磁波在介電常數(shù)和磁導率同時為負數(shù)的媒質(zhì)中的傳播特點作了純理論的研究。自此以后對于負折射介質(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)和等效磁導率同時為負數(shù)的媒質(zhì)；而后又發(fā)現(xiàn)了等效介電常數(shù)和等效磁導率分別為負數(shù)的單負折射率媒質(zhì)。 本論文將普通一維光子晶體的傳輸矩陣

3、理論進行修正，推導出了適用于含負折射材料的一維光子晶體以及單負折射率材料組成的一維光子晶體的傳輸矩陣理論。并由修正后的傳輸矩陣理論研究了含負折射率材料的一維光子晶體和單負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)厚度等比例縮放時光子帶隙在頻譜中的位置也非常穩(wěn)定。由于負折射率介質(zhì)只在某個頻率段出現(xiàn)負折射現(xiàn)象，所以在含負折射率的光子晶體中同時存在著全方位光子帶隙和布拉格帶隙；當引入缺陷時，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，同時要受到單負介質(zhì)的局域作用；所以在單負折射率介

5、質(zhì)組成的光子晶體中存在著獨特的全方位光子帶隙和局域模式。本論文也對以上兩種特殊介質(zhì)的光子晶體的色散特性進行了模擬，直觀地體現(xiàn)它們色散特性的同時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特性，對這些光子晶體特性以及晶體結(jié)構(gòu)設計的研究有非常重要的科學價值和實際應用意義。它們將會在光信息傳輸、處理等方面有不可替代的作用。所以對于負折射率介質(zhì)和單負折射率介質(zhì)組成的光子晶體的研究將會