二维光子晶体波导中慢光的Dirichlet-to-Neumann映射方法计算

利用Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法计算了三角形排列的二维单线缺陷光子晶体波导管中的慢光.首先利用六边形单元晶格的(DtN)映射构建三角形排列的超级晶体的DtN映射,然后利用超级晶体的DtN映射把求解Bloch传播模问题转化为求较小矩阵的线性特征值问题.单元晶格的DtN映射把单元晶格边界上的波动场映射成边界上的法向导数.利用单元晶格的DtN映射避免了在单元晶格内部的离散,只需在边界上计算,减少了未知数个数,得到的矩阵较小,从而大大减少了计算量.不管介质是否是色散的,利用超级晶体的DtN映射建立的特征值问题都是线性的.数值算例表明用DtN映射方法来计算波导管中的慢光是非常有效的.     

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.     

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。     

基于Dirichlet-to-Neumann映射计算旋磁光子晶体的带隙结构

扩展了Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法,构造出了旋磁光子晶体单元晶格的DtN映射,并利用该映射建立特征值问题来计算二维旋磁光子晶体的带隙结构.该方法只需要在边界上进行离散,从而得到的特征值问题矩阵较小,并且该特征值问题以频率ω为给定的参数,以波数β的函数为特征值,所以无论对于色散介质还是非色散介质,它都是线性特征值问题.最后,分别以正方形、三角形以及蜂巢状周期排列的旋磁光子晶体为例验证了该数值方法的有效性.     

光子石墨烯微波传输特性的实验研究

对于蜂窝晶格的光子石墨烯,在布里渊区边界存在简并的点叫做狄拉克点。在狄拉克点附近有很多新奇的物理现象。而在三角晶格光子石墨烯的能带结构中,布里渊区边界拐点存在一个简并点,但它不同于狄拉克点,因为在这个简并点的频率对应两个不同的波矢。在光子晶体微波实验平台研究了这个简并点的微波传输特性。发现不同宽度的波束通过三角晶格的光子石墨烯后,其透射率展示出不同的特性,当入射波束较窄的时候,其传输特性类似赝扩散的行为,并进一步分析这种现象的物理机理。这些研究有助于人们更好的理解二维光子石墨烯,为光子石墨烯集成光学器件方面提供理论和实验依据。     

含有缺陷的二维光子晶体能带特性

为进一步研究有缺陷光子晶体的能带特性，并以此作为光子晶体器件的设计理论依据，利用倒易空间的概念，得到了正方晶格的最小布里渊区的分布、采用时域有限差分加Bloch边界方法得到了二维光子晶体的能带特性．结合超元胞的方法计算了含有点缺陷和线缺陷的光子晶体的特性，并且得到了缺陷模式的场分布，通过对能带特性的分析，将对光子晶体的研究从量子阱结构发展到了量子点结构．     

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.     

二维Honeycomb-kagome结构磁振子晶体中的狄拉克点与平带

在蜂窝(Honeycomb)结构磁振子晶体模型的基础上，提出了Honeycomb-kagome结构的二维磁振子晶体模型，它是由铁(Fe)圆柱按照Honeycomb-kagome结构排列在氧化铕(EuO)基底材料内构成的一种二维周期结构磁性复合材料系统。利用课题组提出的改进平面波展开法，数值计算研究了该系统里的磁振子带结构。结果表明，只要满足散射体密排即各Fe圆柱边缘相切的条件，在布里渊区K点处就会产生磁振子狄拉克点，通过调节不同密排圆柱体的半径比可以实现间接调控狄拉克点频率位置的目的。此外，在相切圆柱半径比相差较大情况下，会有磁振子平带现象的出现，这是不同于晶体中杂质态的一种拓扑局域态，是自旋波在Honeycomb-kagome结构中高度干涉叠加而形成。本文对磁振子狄拉克点的产生、调控和拓扑平带的研究，不仅拓展了凝聚态拓扑物理的研究内容，同时可为人工磁振子晶体应用于自旋波拓扑器件制作材料领域提供理论依据和一个平台。     

对称性对二维三角晶格光子晶体简并态的影响

本文从介质圆柱在空气中排列的二维三角晶格光子晶体出发，引入了一种复式格子二维光子晶体结构，使原三角晶格C6v的对称性降低至C2v，从而使能带简并分立，产生了一些新的带隙。采用超元胞的方法来计算能带结构，结果表明，随着两种圆柱半径比的增大，带隙结构越来越丰富。我们将由原二维三角晶格光子晶体第一条能带折叠形成的四条能带定义为超元胞第一组能带，以此类推。发现随着两种圆柱半径比的增大，第一组能带之间出现了3条带隙，总体上逐渐展宽，而第一组能带和第二组能带之间的带隙逐渐减小。最后我们还计算了绝对禁带随着两种圆柱半径比增大的变化情况，发现随着半径比的增大，绝对禁带从无到有，为我们提供了一种新的获得绝对禁带的方法。     

二维正方圆柱光子晶体带隙的FDTD模拟

利用时域有限差分方法研究二维光子晶体传输函数理论,计算了各种情况下二维正方圆柱光子晶体的透射率即光传输函数随频率的变化.计算结果表明,对于一定的入射方向,某些频率的光不能在光子晶体中传播即出现所谓的带隙,带隙的宽度与入射光的偏振、圆柱的折射率、有无缺陷等因素有关.     

二维六边形晶格光子晶体的带隙研究

运用平面波展开法模拟计算了二维六边形晶格光子晶体的能带结构,得到了使光子带隙最大化的结构参数.分别以不同介质作为本底,由圆柱、正方直柱和六角形直柱空气孔构成的六边形晶格光子晶体都出现了完全光子带隙,为进一步光子晶体的实验制备和应用提供了理论依据.     

圆形光子晶体光纤能带结构的一维近似

利用等效介质结构,将圆形光子晶体光纤的二维光子晶体结构近似为一维结构,应用平面波法得到其能带结构.考虑实际Bragg光纤与圆形光子晶体光纤的共同之处,同样将其近似为一维光子晶体,得到能带结构,结果与以前直接的一维平面波法得到的能带结构存在细微差异.     

基于多重散射理论的二维声子晶体带结构计算

二维固体结构声子晶体如平板、板壳在结构材料的减振、降噪方面有广泛的应用,研究二维固体结构声子晶体的禁带特性,对减振、降噪结构材料及声学滤波器的设计有重要的理论指导意义.用声子晶体带结构计算的多重散射理论,计算了二维碳一环氧树脂声子晶体的能带结构.结果表明,将波速较大的碳柱体按正方形周期排列放入到波速较小的环氧树脂中,在布里渊区两个主要方向上出现了完全禁带.     

二维光子晶体中负折射现象的研究与仿真

使用光子晶体能带结构和等频面（EFS）方法对二维光子晶体中的负折射现象进了研究和仿真．得到了二维光子晶体中出现负折射率现象的频率范围．使用时域有限差分法（FDTD）对光波在二维光子晶体界面和晶体中的传播进行了数值仿真研究．由仿真结果发现在一定的频率范围内,在二维光子晶体中确实可以发现光波的负折射传播现象．     

不同形状介质柱体结构二维三角晶格光子晶体的完全带隙

利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体的完全带隙.通过计算由各种形状锗柱排列在空气中组成的三角晶格光子晶体的能带结构,发现对于空心三角形锗柱排列在空气中组成的晶体结构,存在一个宽度为0.098(2πc/a)的完全禁带,该宽度达到了禁带中心频率的19.8%.并且系统讨论了不同结构参数对于完全禁带宽度的影响.     

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。     

二维蜂窝弹性材料拓扑态的研究

将谷拓扑态的概念引入弹性材料，设计了一种二维蜂窝弹性声子晶体，当系统受反演对称性保护时，在K(K′)点处出现3个线性简并的狄拉克点，分布在不同的频段.通过调整其几何结构参数，破坏体系的空间对称性，使得在K(K′)点处的狄拉克点打开，形成能谷.这种多频段的能谷之间存在连接上、下体带的边缘态，在弹性材料中利用边缘态实现拓扑输运，可以设计出有良好性能的声学器件，具有一定的研究价值.     

克龙尼克-潘纳模型的能带结构

利用图解法来确定一维周期势作用下晶体的能带结构.研究发现,当势垒高度为零时没有带隙结构、随着势垒的增加在布里渊区边界上出现带隙.势垒越高,能带的最低能量越大,较低的允带越窄,垒宽增大,能带抬高;能量越高,允带宽度越大,而禁带宽度则越窄.相关研究有助于理解固体的能带结构.     

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.     

斜入射时二维空气孔结构三角形光子晶体的带隙结构

利用平面波展开法推导出光在光子晶体中传播时本征方程的矩阵表达形式,数值求解计算了圆形空气孔结构的正方形光子晶体和三角形结构光子晶体在正入射时的色散曲线及三角形结构光子晶体在斜入射时的色散曲线.这些研究结果对设计和制作光子晶体功能器件具有指导意义和应用价值.计算弁析发现,与正方形结构光子晶体类似,对于二维三角形结构光子晶体,正入射时E波和H波在<10>方向和<11>方向也都会出现带隙,但是带隙宽度比对应的正方形结构的宽许多.二维三角形结构光子晶体在斜入射时,三角形结构光子晶体的色散曲线随着入射角的增大而上升,带隙中心频率也随之增大,但带隙的宽度却随之减小,直至消失.本文研究了斜入射情况下三角形光子晶体的带隙结构和色散特性,所得结论对设计和制作光子晶体功能器件有重要的指导意义和应用价值.