含單負(fù)材料的一維半無限光子晶體反射譜.pdf

1、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率只有一個(gè)為負(fù)數(shù)的新型人工材料是一種具有特殊電磁性質(zhì)的特異材料，它使折射率為純虛數(shù)，稱為單負(fù)材料。單負(fù)材料已經(jīng)在微波段乃至近紅外通過人工制備實(shí)現(xiàn)。人們通過將特異材料引入到光子晶體中，發(fā)現(xiàn)了新型的光子帶隙。由于這些光子帶隙具有與傳統(tǒng)的布拉格帶隙截然不同的性質(zhì)，并且具有潛在的應(yīng)用前景，因此含特異材料的光子晶體已成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文通過數(shù)值計(jì)算模擬和理論分析，從半無限反射譜及能帶理論出發(fā)，討論了單負(fù)材料光子晶體中帶隙的特

2、點(diǎn)，光通過這種結(jié)構(gòu)的透射相移，以及單負(fù)材料光子晶體缺陷的特點(diǎn)，主要的研究內(nèi)容及其研究成果有以下幾個(gè)方面： 第二章從光與物質(zhì)相互作用的Maxwell方程出發(fā)，推導(dǎo)了適合于普通材料的一維光子晶體、含負(fù)折射率材料的一維光子晶體以及含單負(fù)材料的一維光子晶體的傳輸矩陣，并得出有限光子晶體的反射系數(shù)公式。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用布洛赫定理，得到了入射端處電磁場(chǎng)波函數(shù)的關(guān)系，從而得到了半無限光子晶體的反射公式。 第三章利用半無限光子晶體的反射

3、公式，計(jì)算由兩類單負(fù)材料組成的一維半無限光子晶體反射譜，與有限多層結(jié)構(gòu)反射譜相比，這種半無限結(jié)構(gòu)反射譜是光滑的，這是有限周期結(jié)構(gòu)反射譜振幅取平均的結(jié)果。 由兩類常數(shù)單負(fù)材料組成的光子晶體中，在一定的厚度比值范圍內(nèi)，低頻區(qū)域可以出現(xiàn)通帶，衰減場(chǎng)能夠耦合傳播。當(dāng)兩種材料的介電常數(shù)相等，滿足阻抗匹配、相位匹配的條件時(shí)，所有的模式都可以共振隧穿通過光子晶體。 對(duì)兩類含色散單負(fù)材料組成的光子晶體，通過改變?nèi)肷浣?，研究了半無限反射譜

4、，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)中不僅存在零有效相位能隙，還存在角度帶隙，尤其是高頻區(qū)域的全方位Bragg帶隙。零有效相位能隙不受入射角度，電磁波偏振態(tài)的影響。隨著入射角增大角度帶隙變寬。在選則合適的參數(shù)下，Bragg帶隙也不隨角度變化，是一個(gè)全方位的帶隙。 研究了半無限結(jié)構(gòu)的反射譜，討論了零有效相位能隙，角度帶隙，全方位Bragg帶隙的特性，得到零有效相位帶隙帶寬隨厚度比值改變，不隨晶格縮放改變。考慮傳輸線模型的單負(fù)材料，理論分析了單負(fù)材料光子

5、晶體的高低帶邊頻率，發(fā)現(xiàn)零有效相位能隙及其中心頻率與厚度縮放無關(guān)。角度帶隙對(duì)厚度比值變化不敏感。 討論了角度帶隙受不同極化的影響，由于不同極化下，傳輸矩陣的表達(dá)式不同，TE極化下角度帶隙的位置與磁導(dǎo)率的零點(diǎn)有關(guān)，而TM極化下與介電常數(shù)的零點(diǎn)有關(guān)。 對(duì)于全方位的Bragg能隙，由能帶理論，通過數(shù)值計(jì)算我們得到了TE極化、TM極化下形成這種能隙的厚度比值區(qū)域。討論了三者帶邊附近模式的場(chǎng)分布。零有效相位能隙是衰減場(chǎng)的相互作用，

6、電磁場(chǎng)局域在材料的界面處，結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)變化趨勢(shì)是一致的，Bragg帶隙是行波的相互作用，電磁場(chǎng)局域在層內(nèi)，導(dǎo)致Bragg帶隙帶寬隨晶格縮放變化，與零有效相位能隙相比，結(jié)構(gòu)中電磁場(chǎng)變化的趨勢(shì)是不一致。角度帶隙低頻帶邊的電場(chǎng)，在不同的極化下，局域強(qiáng)度變化很大。 研究了光通過含色散的單負(fù)材料組成的有限光子晶體的透射相移，發(fā)現(xiàn)光的傳播方向與周期結(jié)構(gòu)的平均折射率有關(guān)，若平均折射率為零，相移為零，如果平均折射率大于零，光的傳播方向沿z方向，