含特異材料的一維光子晶體的理論及其應用研究.pdf

1、光子晶體和特異材料分別是1999年和2003年美國《科學》雜志評出的十大科學進展之一，是當今科學研究的兩大熱點。光子晶體是按照晶體的對稱性制備的周期性介電結構，其電磁模式像晶體中的電子一樣具有能帶。光子晶體的光子能帶由光子晶體的對稱性、組分材料的介電常數和原胞的尺寸決定。特異材料是另一類具有新穎電磁特性的人工材料，它包括介電常數和磁導率同時為負的負折射率材料和介電常數為負或磁導率為負的單負材料，已經在微波段乃至近紅外通過人工制備實現。把

2、特異材料引入到光子晶體中，拓寬了光子晶體的研究范圍，發(fā)現了更多的物理機制和潛在應用，已經成為當前的一個研究熱點。 本論文通過理論分析和數值模擬，詳細研究了光在正、負折射率組成的一維光量子阱，含負折射率材料的準一維類梳狀光子波導以及兩類單負材料組成的Thue—Morse準晶等結構的傳輸性質。具體研究成果如下： (1)詳細推導了由兩類光子晶體組成的一維光量子阱中的共振模本征方程。利用該嚴格的理論結果，我們研究了由正負折射率材

3、料組成的一維光量子阱中的共振模特性。研究表明，在由正負折射率材料組成的一維光量子阱中，共振模式的個數等于阱區(qū)光子晶體的周期數目，而且這些共振模表現出全向的特征，對入射光的角度和偏振變化不敏感。這種光量子阱中的本征模幾乎對角度不變的特性可用來設計全向的多通道濾波器，其通道的個數以及通道間的距離可以通過改變阱區(qū)光子晶體CD的數目來調節(jié)。此外，我們還研究了N個一維光量子阱之間的耦合問題。當阱之間的距離較小時，光量子阱中的共振模發(fā)生N重分裂。并

4、且分裂的間距隨著勢壘寬度(阱間距離)的減小而增大。 (2)利用界面響應理論，我們研究了旁支為負折射率材料，主軸為正折射率材料的準一維類梳狀光子波導的帶隙結構和透射系數。數值計算表明，在這種結構中的帶隙中存在一些分立的模式。這些分立的模式的頻率與透射譜中的窄帶透射峰的頻率相對應。同時還表明隨著旁支數目的增加，窄帶透射峰變窄，品質因子增大。當負折射率材料為色散和損耗模型時，上述性質仍然存在。 (3)利用傳輸矩陣方法，我們研究

5、了由負介電常數材料和負磁導率材料組成的Thue—Morse結構的反射和透射特性。結果表明：在這種結構中存在一個全方位反射帶，反射帶的位置和寬度不會隨著階數n的改變而改變。而且這個反射帶的大小由TE和TM模式共同來決定，表現出與介電型Thue—Morse結構完全不同的特性。另外我們還發(fā)現了當這種結構的平均介電常數和平均磁導率等于零時，各階Thue—Morse結構在同一個頻率附近出現一個平頂的透射帶。平頂透射帶來自于對稱與反對稱隧穿模式的合

6、并。平頂的寬度可以通過同時改變負介電常數材料和負磁導率材料的厚度來改變，可以用來制作帶通濾波器件。 另外，本文研究了一維磁光光子晶體共軛異質結的磁光性質。研究表明，在兩個相似磁光光子晶體組成的共軛異質結表面處存在一個表面模式，對應表面模處的光通過共軛異質結的透射率隨著兩邊光子晶體的周期數的增大而減小，同時法拉第旋轉角增大，不能同時實現高的透過率和大的法拉第旋轉角。但對于磁光光子晶體共軛多異質結，可以通過耦合多個表面模式的方法來同