二维太赫兹拓扑光子晶体的远场探测

随着量子霍尔效应(QHE)在凝聚态物理中的深入研究,一类具有非平庸特性的新型材料——拓扑绝缘体引起了人们极大的兴趣.与此同时,随着人工超材料的发展,一种可以产生新型单向传输模式且无背散射的拓扑光子晶体(Topological Photonic Crystals)引起非常大的关注.在本文中,根据时空反演对称性和量子自旋霍尔效应(QSHE)理论,我们构建了一个工作频率在太赫兹波段的拓扑光子晶体,当扩展或压缩六角蜂窝状晶格时,空间反演对称性会被打破,从而打破能带简并实现光子能隙结构,将具有相反拓扑特性的光子晶体摆放在一起,在它们的交界面可实现具有单向传输且不受缺陷影响的拓扑边界态.本文在太赫兹波段实验表征了该拓扑光子晶体的反射谱特性,发现扩展和压缩六角蜂窝状晶格获得的拓扑光子晶体的反射谷频率分别对应他们各自第一能带p±在Г点处的频率,由此可得知光子能隙的宽度,为拓扑光子晶体的验证提供了新的手段.     

二维椭圆形介质柱光子晶体的负折射成像特性

本文利用时域有限差分方法研究了由椭圆形介质柱组成的二维正方晶格光子晶体平板的负折射成像特性.研究表明对于光子晶体第二个能带中的特定频率区域,靠近晶体平板放置的点光源可以经过矩形光子晶体在另一侧形成一个高质量的实像,并且可以实现有效折射率为-1的负折射现象.     

正方排列芯壳型平板光子晶体禁带特性的研究

构建了正方排列的芯壳型平板光子晶体结构,发现这种芯壳型平板光子晶体较传统的介质柱型平板光子晶体能获得更宽的类TE禁带.分析了两种模型,一种是芯层折射率为3.5,壳层折射率为2;另一种是芯层折射率为2,壳层折射率为3.5,发现当芯层折射率大于壳层折射率时,光子禁带明显增宽.     

二维长方晶格光子晶体第二个能带中频率近场成像的调控

研究了由介质打孔方法组成的二维长方晶格光子晶体平板的成像特性．利用时域有限差分方法计算了由点光源发出的光经过光子晶体平板的电磁场空间分布,并与利用平面波展开方法计算得到的等频率曲线进行了对比分析,发现一个高质量的近场实像是由于自准直效应和负折射效应的共同作用形成的．对于不同频率的入射光,可以在光子晶体的两个相互垂直的方向上分别实现近场成像．     

光子晶体的透射特性

首先, 用光的量子波动理论给出一维光子晶体的量子传输矩阵、 量子色散关系、 量子透射率和反射率; 其次, 通过数值计算分别给出一维光子晶体的量子色散关系、 量子透射率和反射率曲线, 并与经典的色散关系、 透射率和反射率进行比较. 结果表明, 其计算结果一致. 该方法可用于进一步研究光子晶体的量子Zak相、 量子陈数和量子边缘态等量子拓扑性质.     

光子晶体的理论与实验研究

光子晶体是一种介电常数呈周期性分布的介质材料,周期为光波长量级。在光子晶体材料中存在着特殊的频带,在这些频带中光波被禁止传播。研究光子晶体的理论有等效折射率模型、平面波法、传输矩阵法、有限时域差分法及多极法等。制备光子晶体的技术有层层叠加技术、打孔法、微机械技术、胶体晶体法、反蛋白石法、立体平板刻蚀技术等。     

光子晶体的透射特性

首先, 用光的量子波动理论给出一维光子晶体的量子传输矩阵、 量子色散关系、 量子透射率和反射率; 其次, 通过数值计算分别给出一维光子晶体的量子色散关系、 量子透射率和反射率曲线, 并与经典的色散关系、 透射率和反射率进行比较. 结果表明, 其计算结果一致. 该方法可用于进一步研究光子晶体的量子Zak相、 量子陈数和量子边缘态等量子拓扑性质.     

光子石墨烯中光传输特性的研究

光子石墨烯与电子石墨烯有相同的微结构,是具有三角晶格的二维光子晶体,其能带结构中存在中心奇异点,称为狄拉克点。这种狄拉克准粒子的存在导致了一种新的传输状态"赝扩散"。利用共面接地波导实现了单方向性窄的波束通过二维光子晶体。利用数值仿真的方法验证了"赝扩散"的传输特性。实验结果表明,对于二维光子晶体有些能带是不能被激发的。     

一维光子晶体的量子透射率

在光的量子波动方程的基础上提出了研究一维光子晶体的量子理论方法,通过在两介质分界面上波函数及其波函数导数连续,即可得到一维光子晶体的量子变换矩阵、量子透射率和量子反射率,分别计算了无缺陷层介质和有缺陷层介质时的量子透射率和量子反射率.把量子理论方法与经典电磁理论方法计算结果进行了比较,发现两者的计算结果是一致的.这说明该量子理论方法也是研究光子晶体的正确方法,该方法还可以进一步研究二维和三维光子晶体的透射特性以及光子晶体的量子Zak相、量子拓扑特性,这些特性包括量子陈数、边缘态和光子的量子霍尔效应等.     

基于激光全息法的复式光子晶体计算机仿真研究

复式光子晶体是指由2套或以上简单光子晶体嵌套而成的光学微结构,有效获得特殊元胞形状的复式光子晶体是人们追求的目标。从多光束干涉原理出发,探讨了激光全息法产生复式光子晶体的实现机理及光路配置,利用对称配置的六束相干光实现了3套简单晶格嵌套而成的复式三角晶格光子晶体。进一步利用MATLAB编程进行计算机仿真,系统讨论了光束偏振组合对复式三角晶格光子晶体元胞形状和对比度的影响,获得了圆环、缺口环、弯月形、矩形等不同元胞形状的复式光子晶体,并对其偏振组合的影响规律进行了分析总结。以上研究为设计复杂元胞形状的新颖复式光子晶体提供了有效途径。     

超快速光子晶体全光开关研究

光子晶体作为一种新型的人造光子学材料,具有独特的光子带隙特性,能有效地控制光子的传输状态,因而是实现全光开关等集成光子器件的重要基础。介绍了基于光子晶体的全光开关的各种实现方法,并详细论述了超快速光子晶体全光开关的实验研究状况。     

二维正方形介质柱Square格子光子晶体的能带研究

利用平面波展开法计算了两种不同介质材料(GaAs,Ge)构建的二维正方形介质柱Square格子光子晶体的能带结构,研究了介质柱旋转角度、填充比及介质折射率对二维光子晶体禁带结构的影响。结果发现,介质柱旋转角度为0°时,完全光子禁带最大;由不同折射率材料构建的该结构光子晶体,在折射率n=2.57时,即有完全光子禁带产生,为实现用较低折射率材料构建完全禁带光子晶体提供了便利;n=4.10时,完全光子禁带达到最大,禁带宽度Δ=0.048(ωa/2πc)。该研究结果为二维光子晶体应用提供了理论依据。     

一维函数光子晶体的禁带特性理论

提出了一种新型函数光子晶体,其折射率是一个空间位置函数.在费马原理的基础上,利用传输矩阵理论研究了光子晶体介质层的折射率、周期数、入射角等对光子晶体带隙变化的影响.为灵活实现某特定带隙的光子晶体的制备提供了理论依据.     

光子晶体——微波光学设备

本书讨论了光子晶体的理论背景及其光学特性，介绍了大量的应用光子晶体的光学和微波设备。本书与已出版的光子晶体图书不同，不仅描述了理想的光子结构，更注重于从光子晶体到实际光学设备的实现。本书由六位不同研究领域的学者编写。     

光子晶体波导慢光效应的理论分析

介绍了光子晶体慢光技术相对其他实现慢光的技术特点。通过Kramers—Kronig关系分析讨论利用光子晶体波导产生慢光的机理,在此基础上总结出利用光子晶体实现慢光的三种物理机制即：布里渊区边界上的别向波和反射波的布拉格共振效应;全反射效应;介导导模和带隙导膜之间反向交叉点处的反交叉共振效应。     

微接触压印法制备ZnO纳米线二维光子晶体

采用基于微接触压印的一种新工艺制备了ZnO纳米线二维光子晶体,工艺包括两个步骤:第一,利用Zn(AOc)_2溶胶作为墨水和PDMS作为印章,通过微接触压印技术在ITO衬底上制备图形化的ZnO种子层;第二,采用80℃的低温水热法在图形化的ZnO种子层上选择性的生长ZnO纳米线,获得ZnO纳米线二维光子晶体。测试结果表明:通过优化后的工艺,实现了微结构完整的图形化ZnO种子层;通过短时间的水浴生长实现ZnO纳米线二维光子晶体。由于光子晶体的多重散射效应,透过ZnO纳米线光子晶体的光波呈周期性震动的光谱曲线与带状色散条纹。     

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.     

三角形复合型二维光子晶体带隙分析

选用时域有限分方法(FDTD)分析光子晶体带隙结构.选择两种不同晶格常数的光子晶体构成复合型二维光子晶体.计算结果表明,这种复合型二维光子晶体的禁带宽度明显大于组合光子晶体禁带宽度,并通过改变复合光子晶体的介电常数实现其禁带向高频区或低频区移动.     

光子晶体中光子的波动方程与光子能带

在矢量波的理论框架上,从麦克斯韦方程组出发推导了光子晶体中光子的波动方程,发现其在形式上与自然晶体中电子的薛定谔方程十分相似.因此,光子晶体中光子的运动将类似于周期性势场中电子的运动,会产生类似的电磁波或光波的"能带"结构,也可以借用固体能带理论的基本方法来研究光子晶体的带隙.     

光子晶体光纤光栅谐振波长的特性研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化(间隙孔半径、层数)与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变而层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。