光子晶体加速结构的初步研究

用有限差分法计算了由金属棒按三角形晶格分布的二维光子晶体的带隙图，计算结果表明：当金属棒半径口和棒间距b比值小于0．2时，二雏光子晶体只有一务带隙，即若引入缺陷，可约束主模、抑制高次模．采用Microwave Studio计算了该种光子晶体微波加速结构的场型分布，结果显示当a／b〈0．2，类TM01模在缺陷中传输，类TM11模（横向模）能传出光子晶体．另外计算了结构尺寸公差对行波单元谐振频率的影响，还模拟计算了带有测试探针的由3个PBG单元构成的谐振腔的S参数．     

二维方柱光子晶体的波导特性

具有缺陷的光子晶体,光子频率带隙内将出现局域模,而线缺陷相应地形成一个传输效率很高的光波导.计算了空气中Al材料的旋转四边形直柱光子晶体存在线缺陷时的带结构和态密度,给出了二维方形光子晶体的波导的TM模的电场分布,并讨论了波导耦合的传输效率.     

二维函数光子晶体波导带隙和电场分布的调制

在二维函数光子晶体波导中, 研究介质柱介电常数对带隙结构的调制, 以及波导中加入点缺陷时, 点缺陷介质柱介电常数对电场分布和光传播方向的调制. 结果表明： 当二维函数光子晶体波导中不含点缺陷时, 改变波导中介质柱介电常数的参数b和k值, 可调节波导的禁带数目、 禁带位置、 缺陷模的数目和位置;  当二维函数光子晶体波导中含点缺陷时, 改变点缺陷介质柱介电常数的参数b和k值, 可改变电场分布和光的传播方向.       

二维函数光子晶体的点缺陷及本征场分布

用COMSOL Multiphysics仿真软件研究含点缺陷二维函数光子晶体的带隙结构、 缺陷模式及缺陷模式的本征场分布. 介质柱介电常数的线性函数形式： ε(r)=k·r+b, 由电光效应和Kerr效应, 通过对介质柱施加外电场和光场改变其折射率.  计算结果表明, 改变点缺陷介质柱介电常数的参数和点缺陷个数, 均可调节二维函数光子晶体的带隙结构和位置, 以及缺陷模式及缺陷模式的本征场分布.     

新型二维函数光子晶体的透射特性

用平面波展开法研究二维函数光子晶体的TE(transverse electric)波和TM(transverse magnetic)波带隙结构,并与二维传统光子晶体的带隙结构进行比较.通过给出不同介质柱介电常数的函数形式考察二维函数光子晶体带隙结构的变化.结果表明,二维函数光子晶体存在绝对带隙和半Dirac点.     

二维三角晶格光子晶体的带隙计算和波导的传输效率分析

采用平面波展开法对二维三角晶格介质柱光子晶体和空气孔光子晶体分别在TM和TE极化下的带隙进行了计算;采用时域有限差分法分别计算了TM模和TE模在二维三角晶格介质柱和空气孔弯曲波导中的传输效率。研究对设计高传输效率的光子晶体波导定向耦合型器件具有重要意义。     

二维函数光子晶体不同函数形式对带隙结构的调控

用平面波展开法研究二维函数光子晶体介质柱介电常数不同的线性函数形式对横电(TE)波和横磁(TM)波带结构的影响. 数值计算结果表明: 二维函数光子晶体比二维常规光子晶体的带隙更宽; 通过变换介质柱介电常数不同的线性函数形式可使二维函数光子晶体的带隙个数、位置和宽度均发生变化, 从而实现对二维函数光子晶体带隙的调节.     

二维光子晶体的能带分析

光子晶体是一种介电常数空间周期性变化、具有光子带隙结构,能控制光子传播状态的新型材料.根据横截面上介质柱构成的多边形边数n和数目m满足一定关系.介绍了三种二维光子晶体的结构.利用平面波展开法(PWE)计算并仿真了三种光子晶体的TE和TM偏振模式的禁带结构分布,得出了介质柱排列方式对禁带带隙的影响.为进一步光子晶体的实验制备和实际应用提供了理论依据.     

有旋转六角洞的光子晶体的最大绝对带隙和缺陷模

研究有旋转六角洞的三角点阵二维光子晶体的带结构,探索单元核几何对称性减少对绝对带隙值和局域缺陷模频率值的影响。对洞的中等旋转角,我们揭示此结构的最大绝对带隙可以获得,且该角依赖于洞的半径和背景材料的折射指数。我们也研究了由洞的缺失产生的缺陷模的特点,讨论了此结构模的可调性。     

二维函数光子晶体中的类Dirac点及带隙结构

设计一种二维函数光子晶体, 该光子晶体仅需通过改变外加的光强分布或电场分布, 即可改变其介质柱介电常数的函数形式, 从而获得所需的带隙结构. 选取不同介质柱半径及不同介电常数函数形式的二维函数光子晶体结构, 通过数值计算得到类Dirac点和带隙结构, 所得结论可为光学器件的设计提供理论依据.     

锗圆柱构造的二维光子晶体带隙结构分析

采用平面波展开法研究了由锗圆柱构成的Triangular格子、Kagome格子和Graphite格子二维光子晶体的带隙结构,发现Kagome格子和Graphite格子结构的光子晶体具有完全光子带隙,并得到了使完全带隙最大化的结构参数。数值计算结果表明,Graphite结构二维光子晶体在填充比从f=0.058到f=0.605连续变化的很大范围内都有完全带隙出现,在低能区出现了Δ=0.053(ωa/2πc)的较大带隙。为二维光子晶体材料的制备和应用提供理论依据。为二维光子晶体材料的制备和应用提供理论依据。     

基于低折射率材料完全带隙光子晶体结构设计

通过降低正方晶格晶格结构对称性,采用晶格结构以及散射子结构简单的矩形晶格介质圆柱二维光子晶体,实现低折射率条件下完全带隙的获得.基于平面波展开法研究光子晶体完全带隙特性,研究表明:对于介质柱型二维光子晶体,无论矩形晶格还是正方晶格,都偏向于TM带隙的形成,但是晶格结构对称性的降低使得矩形晶格更益于TE带隙的形成,TE带隙宽度和数目的增加,使得矩形晶格介质柱型二维光子晶体可以实现低折射率条件下完全带隙的获得:当介质折射率大于2.0时,即可通过调节光子晶体结构参数获得完全带隙.     

点缺陷对波导的电场分布的调制

在二维函数光子晶体研究的基础上,进一步研究二维常规光子晶体波导中加入点缺陷介质柱时,二维光子晶体波导的带隙结构与电场分布情况.其中点缺陷介质柱介电常数是空间坐标的函数,其函数形式为εr=kr+b,参数k和b的变化可以通过光学Kerr效应或电光效应来实现.结果表明,通过改变点缺陷介质柱介电常数的参数k和b以及点缺陷半径ra,可以调节光的传播方向和光场分布,从而可以控制光在波导中传播方向.因此当含点缺陷时,二维常规光子晶体波导的光场分布和光的传播方向具有可调性.这些理论为光学器件的设计提供有价值的新的设计思路.     

基于Dirichlet-to-Neumann映射计算太赫兹频段旋电光子晶体带隙结构

用扩展Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法计算太赫兹频段二维旋电光子晶体的带隙结构,由于DtN映射方法仅需在单元晶格的边界上进行离散,避免在其内部离散,因此减少了未知数的个数,使计算速度大幅度加快.首先,构造旋电光子晶体单元晶格的DtN映射;其次,将光子晶体的带隙结构问题转化为矩阵的特征值问题进行求解;最后,数值模拟验证用DtN映射方法计算旋电光子晶体带隙结构的有效性.     

含单负材料的一维光子晶体异质结构的缺陷模分裂

由两种单负（负介电常数或负磁导率）材料交替堆叠而成的一维光子晶体异质结的周期结构中，发现了缺陷模的孪生分裂现象。在此异质结中，仅有一光子晶体存在零有效位相（zero-φeff）带隙。计算结果显示，随着异质结的周期数增加，（zero-φeff）带隙内的缺陷模将发生分裂，分裂后的缺陷模对称地分布在带隙中央的两侧。当异质结的周期数为偶数时，总能在（zero-φeff）带隙中找到两缺陷模，其频率与异质结的周期数为2时的缺陷模相同；对应这两缺陷模频率的电场在异质结构中传播时，呈周期的丛生状分布。     

二维正方晶格函数光子晶体带隙结构研究

采用平面波展开法研究二维正方晶格函数光子晶体,分别计算TE波和TM波的带结构。二维正方晶格函数光子晶体介质柱折射率是空间坐标函数,而不是定值(二维正方晶格常规光子晶体)。二维正方晶格函数光子晶体可通过Kerr效应或电光效应来制备,可调节性灵活。本文研究了函数系数k对二维正方晶格函数光子晶体带结构的影响。在TE波情况下,函数系数k增加时,带隙数目变多且带宽变宽。与二维常规光子晶体比较,函数光子晶体有较宽的带隙结构,这将为光学器件的设计提供新的理论依据和重要的设计方法。     

基于椭圆基元光子晶体的宽角度自准直传输研究

针对二维光子晶体在自准直传输现象,推导了非正交坐标系下的时域有限差分(FDTD)模型,有效地计算了二维椭圆基元光子晶体带隙结构.结合等频图分析,从理论上研究了二维椭圆基元光子晶体结构中TM模式的自准直现象,优化设计出宽角度自准直效应模型,并通过高斯波束验证了其无衍射自导传输模式.     

函数缺陷对波导带隙结构的调制

在二维函数光子晶体研究的基础上,进一步研究波导中加入两排函数线缺陷时,通过调节函数线缺陷的介质柱介电常数参数值,可实现波导带隙结构的调制情况.本文选取线缺陷介质柱介电常数函数形式为εr(r)=kr+b,其中,k为函数系数,b为参数.上述参量的变化,可由电光效应实现,即通过调节外加电场强度和电场分布来实现.当改变函数线缺陷介质柱介电常数参数k和b的值时,波导的带隙位置、带隙数目以及电场分布都会发生改变.因此,在波导中加入两排函数线缺陷就可实现带隙结构的调制,得到所需要的带隙结构和电场分布.这些结论可以为光学器件的设计提供理论基础和新的设计思路.     

应用平面波展开法计算色散和各向异性二维磁性光子晶体的带隙

磁性光子晶体因其构成材料磁导率不为1且受外加磁场调节,近年来被广泛讨论,对磁性光子晶体能带的计算也随之成为热点.本文首度研究了由色散且各向异性材料构成的二维磁性光子晶体能带的计算方法,从Maxwell方程组推导出具有复杂电磁参数的周期结构能带计算的本征方程,对经典的平面波展开直接求特征值法做出改进,利用寻根方法计算出由Mg-Mn铁氧体圆柱和有机玻璃构成的三角格子二维磁性光子晶体在外加磁场下TM模式的能带结构.计算得到的带隙位置与相同结构的光子晶体全波仿真的传输谱相一致,与实际制备的磁性光子晶体样品的实验测量结果也相当吻合,证明了改进的平面波展开法在色散和各向异性材料构成的光子晶体能带计算中准确性和可靠性,进而肯定了平面波展开法在任意电磁参数特性的光子晶体能带结构计算中的适用性.     

含负折射率材料的一维光子晶体中的全向缺陷模

发现由正、负折射率材料交替堆叠构成的一维光子晶体中的零平均折射率(zero-n)带隙中的缺陷模具有3种类型的角度色散,分别为正色散、负色散和近零色散。利用近零色散特性可实现全向缺陷模,此缺陷模的频率在任意角度下均保持不变。研究了具有近零色散的缺陷模与光子晶体的结构参数之间的关系。通过改变光子晶体的结构参数,对缺陷模的近零色散进行优化,实现了分别对应TE波或TM波的单偏振全向缺陷模。此外,发现全向缺陷模的频率不对应光子晶体平均折射率为零的频率,全向缺陷模为光子晶体器件(如全向滤光片)的设计提供了新的思路。