一維、二維光子晶體和電磁吸收材料的遺傳優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用.pdf

1、光子晶體是由不同折射率介質(zhì)材料通過周期性排列而構(gòu)成的一種人工材料。人們可以利用光子晶體的禁帶和光子局域化效應(yīng)來(lái)控制光子的傳輸行為，從而為制造光子集成器件提供可能。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，光子晶體在理論和實(shí)驗(yàn)研究上都取得了重大的進(jìn)展。在這過程當(dāng)中，光子晶體的優(yōu)化設(shè)計(jì)起著非常重要的作用。近些年來(lái)，作為新一代全局優(yōu)化算法的代表，遺傳算法以其強(qiáng)大的隨機(jī)搜索能力和魯棒性得到了廣大設(shè)計(jì)者們的青睞并廣泛應(yīng)用到各種光電磁器件的設(shè)計(jì)中。本文的主要研究?jī)?nèi)容便是

2、探討遺傳算法在一維、二維光子晶體以及電磁吸收材料(也稱吸波材料)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，具體研究?jī)?nèi)容與結(jié)果歸納如下：
　　 (1)基于遺傳算法和傳輸矩陣法，提出了一維光子晶體全方向反射器的通用設(shè)計(jì)方法。以非四分之一波長(zhǎng)膜系構(gòu)成的準(zhǔn)周期光子晶體異質(zhì)結(jié)為模型，得到了適用于光纖通信波段(800～2000nm)、可見光波段(390～780nm)和任意波段(0～2ω0)的全方向反射器設(shè)計(jì)結(jié)果。其中以材料Te和SiO2構(gòu)造的光纖通信波段全方向反射器具

3、有800～1620nm的工作帶寬，覆蓋了中心波長(zhǎng)分別為0.85μm、1.3μm和1.55μm的三個(gè)主要光纖通信窗口；以材料SnS2和SiO2構(gòu)造的可見光波段全方向反射器的工作帶寬為446～779nm，覆蓋了絕大部分可見光；以材料Te和SiO2構(gòu)造的任意波段全方向反射器具有0.529～2.0ω0的工作帶寬，超過了文獻(xiàn)中報(bào)道的設(shè)計(jì)結(jié)果。為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的可行性，特別對(duì)光纖通信波段的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。采用脈沖激光沉積法制備了光纖通信

4、波段的一維光子晶體全方向反射器并利用近紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行了反射光譜測(cè)量，結(jié)果顯示測(cè)量值與理論值吻合的很好。
　　 (2)提出了基于非對(duì)稱元胞設(shè)計(jì)大完全帶隙二維光子晶體的理念。以正方晶格光子晶體為例，分別以少量六角介質(zhì)柱和圓形介質(zhì)柱構(gòu)成的非對(duì)稱元胞為模型，結(jié)合遺傳算法和平面波展開法得到了元胞中含有不同數(shù)目介質(zhì)柱時(shí)對(duì)應(yīng)的高頻帶和光頻線以下頻帶二維光子晶體設(shè)計(jì)結(jié)果。其中以五個(gè)六角介質(zhì)柱構(gòu)成的非對(duì)稱元胞具有中心頻率為1.0502×2πc

5、/a和絕對(duì)寬度為0.1314×2πc/a的高頻帶完全光子帶隙；而以四個(gè)圓形介質(zhì)柱構(gòu)成的非對(duì)稱元胞結(jié)構(gòu)具有中心頻率為0.4084×2πc/a和絕對(duì)寬度為0.0618×2πc/a的光頻線以下頻帶完全光子帶隙。采用多重散射、邊界條件和光子態(tài)密度等理論解釋了上述設(shè)計(jì)結(jié)果的物理意義。
　　 (3)如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射效率優(yōu)化和發(fā)射角度控制是目前二維光子晶體波導(dǎo)定向發(fā)射器設(shè)計(jì)時(shí)存在的主要問題。本文從經(jīng)典的Moreno定向發(fā)射模型出發(fā)，結(jié)合天線理

6、論修正了該模型的定向發(fā)射物理機(jī)制并提出利用非對(duì)稱褶皺出射面來(lái)解決上述設(shè)計(jì)問題的思想。結(jié)合遺傳算法和時(shí)域有限差分法對(duì)非對(duì)稱褶皺出射面進(jìn)行了優(yōu)化，得到了給定發(fā)射角度下的高效率二維光子晶體波導(dǎo)定向發(fā)射器設(shè)計(jì)結(jié)果。此外，基于修正后的物理機(jī)制，提出了采用非對(duì)稱單層光柵出射面來(lái)設(shè)計(jì)光子晶體定向發(fā)射器的思想。遺傳設(shè)計(jì)結(jié)果表明，利用單層光柵出射面同樣可以得到給定發(fā)射角度下的高效率二維光子晶體波導(dǎo)定向發(fā)射器設(shè)計(jì)結(jié)果，而且得到的定向發(fā)射器從發(fā)射效率和結(jié)構(gòu)復(fù)

7、雜程度上都要明顯優(yōu)于利用非對(duì)稱褶皺出射面設(shè)計(jì)得到的定向發(fā)射器，因此可作為一種高性能的波導(dǎo)耦合器件應(yīng)用到光子集成器件中。
　　 (4)基于傳輸線理論提出了評(píng)價(jià)平板型吸波材料性能的三個(gè)目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)不同納米材料的電磁參數(shù)，分別采用自適應(yīng)遺傳算法和快速帕累托多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ來(lái)設(shè)計(jì)平板型吸波材料，得到了具有二目標(biāo)和三目標(biāo)特征的平板型吸波材料設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，多目標(biāo)遺傳算法相對(duì)單目標(biāo)遺傳算法能更好地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)函

8、數(shù)之間的權(quán)衡化并提供更為豐富和優(yōu)秀的具有多目標(biāo)特性的設(shè)計(jì)結(jié)果。例如利用NSGA-Ⅱ得到了一個(gè)總厚度為2.81mm的四層吸波材料設(shè)計(jì)方案，其對(duì)2～18GHz范圍內(nèi)以任意入射角和任意極化方式入射電磁波的平均反射損耗系數(shù)為-11.95dB，反射損耗低于-10dB的平均帶寬為0.52，可應(yīng)用為一種具有“吸收強(qiáng)、頻帶寬、厚度薄“特點(diǎn)的新一代高性能平板型吸波材料。
　　 作為一種強(qiáng)大的全局優(yōu)化算法，遺傳算法能夠有效地解決各種復(fù)雜電磁器件的設(shè)