光子晶体负折射的计算机仿真研究

在计算机上采用MATLAB编程进行理想透镜和负折射三棱镜的光路仿真,分析光在光子晶体中的成像条件,重点计算一种典型的二维光子晶体:负折射三棱镜光子晶体的色散特性.结果发现,光子晶体负折射成像的条件是晶体两侧的折射率与晶体折射率必须绝对值相等,晶体的厚度必须大于光源到晶体的距离;光线在进入负折射率光子晶体三棱镜时,会存在一个最大偏向角,负折射三棱镜光子晶体可以通过调节光子晶体的结构参数来改变其色散特性.因此,在实际应用中可以利用光子晶体的色散特性,通过调节相关的结构参数来对分光仪和波分复用/解复用器等光学器件进行相关的性能优化.     

十二重准晶中负折射的研究

周期性的光子晶体中存在电磁波的负折射现象.然而,这些研究主要集中在周期性结构中,对非周期结构的研究还没有相关的报道.研究从实验和理论两个方面证明了非周期性十二重准晶光子结构同样存在负折射,并且可以实现超透镜的远场成像.利用楔形结构来验证这些条件:在频率为11.82 GHz时,准周期光子晶体可以实现负折射,并且对应的有效折射率接近于-1.与周期性光子晶体相比准晶更接近于各向同性.     

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．     

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．     

光子晶体介电常数和波导宽度对负折射现象的频率的影响

为研究光子晶体中的负折射情况,利用时域有限差分法（FDTD）并通过模拟仿真观察了光在左手材料光子晶体中的负折射现象。以硅的圆形介质柱组成的二维六边形排列结构的光子晶体为例,分析了介电常数和波导宽度的变化对负折射现象的频率范围的影响。仿真结果显示：相对介电常数不宜过大,波导宽度根据频率选择的需要可采在0.2~0.5 a范围内选取,从而为制作具有负折射现象的宽带宽光子晶体提供参考。     

不同材料逆古斯汉欣位移机理的对比研究

通过计算分界面附近的能流矢量曲线,对贵金属、超材料和负折射光子晶体表面的逆古斯汉欣位移的物理机制进行了研究.结果表明,虽然一定频率的入射光波在这3类材料表面反射时都能产生逆古斯汉欣位移,但逆古斯汉欣位移发生的物理机制完全不同.金属表面产生的逆古斯汉欣位移是因为TM偏振入射光诱导金属表面自由电子振荡,从而激发表面等离子体波;超材料表面产生的逆古斯汉欣位移是因为反射光束相对入射光束发生了相位突变;负折射光子晶体表面产生的逆古斯汉欣位移是光子晶体的等效负折射效应和周期性表面的综合作用,即全反射时激发了后向表面波.     

我校物理学院董建文教授研究组在二阶拓扑光子晶体研究取得重要进展

<正>中山大学物理学院/光电材料与技术国家重点实验室董建文教授研究团队提出了二阶拓扑光子晶体平板,并实现了拓扑保护拐角模式的微波近场测量。该工作以"Direct observation of corner states in second-order topological photonic crystal slabs"为题,于2019年6月14日在线发表在《Physical Review Letters》。光子晶体平板是实现诸如负折射、慢光、激射等新型光场调控的重要平台。高深径比的要求增加了介质     

频率对二维声子晶体平板负折射成像的影响

以二维钢/空气三角排列声子晶体为模型,利用多重散射方法分析声子晶体平板负折射成像过程中声波频率与等效负折射率、入射角的变化关系。研究结果表明:平板负折射成像与声波频率及波的入射角度密切相关;对不同的入射波频率,平板的等效负折射率不同,且随着频率增加,等效负折射率绝对值变小;对于确定的晶格结构,只有在确定的频率范围、确定的入射角范围内,才能发生明显的负折射现象;对于某一确定的入射波频率,平板负折射存在一个最大入射角,且随着入射声源频率的增加,这个最大入射角变小,入射波耦合进入声子晶体平板的信号减弱,进而影响像的强度和清晰度。     

含色散特性的负折射材料的一维光子晶体偏振特性的研究

研究了一种含色散特性的负折射材料的一维光子晶体的缺陷模特性,分别研究了TE波和TM波的带隙结构,研究表明,两种模的带隙特性随入射角的变化而变化,高频部分的带隙变化很大,为色散特性的负折射材料在实际中的应用提供了理论指导.     

手征负折射媒质对称平板波导的色散特性

根据麦克斯韦方程组以及手征媒质的本构关系, 研究了手征负折射平板波导的色散特性. 通过引入归一化频率、归一化传播常数, 得到了用归一化参数表示的手征负折射平板波导的色散方程. 数值计算结果表明, 手征参数对平板波导的色散特性影响很大. 当相对手征参数约为0.047 7 时, 左旋极化波零阶模消失; 当相对手征参数大于1, 即为手征负折射媒质时, 存在零阶模. 此外, 还比较了手征负折射媒质平板波导和一般手征媒质平板波导的色散曲线变化趋势.     

Photonic crystals: imaging by flat lens using negative refraction

The positive refractive index of conventional optical lenses means that they need curved surfaces to form an image, whereas a negative index of refraction allows a flat slab of a material to behave as a lens and focus electromagnetic waves to produce a real image. Here we demonstrate this unique feature of imaging by a flat lens, using the phenomenon of negative refraction in a photonic crystalline material. The key advance that enabled us to make this observation lies in the design of a photonic crystal with suitable dispersion characteristics to achieve negative refraction over a wide range of angles.     

一维掺杂光子晶体带隙结构的研究

基于传输矩阵法,数值研究了掺杂一维光子晶体带隙特征。研究表明:一维掺杂光子晶体的带隙是由光子晶体结构决定的,不掺杂时,禁带中心无导带;当掺杂时,禁带中心位置出现一个极窄的导带,并且导带深度随着掺杂位置的不同而变化,当掺杂位置一定时,改变杂质层的折射率,发现随着折射率的变化,禁带中心的导带深度也会随折射率变化而变化,这样我们可以根据晶体的结构,适当选择掺杂位置和杂质折射率,就会在禁带中心出现一个极深的导带,一维光子晶体的这种特性可应用于滤波器件和光学谐振腔的设计。     

Negative refraction in two-dimensional photonic crystals

Recent progress made in research on negative refraction in two-dimensional photonic crystals is reviewed. Special attentions are paid to the research results of our group. We explore the underlying mechanism governing the occurrence of negative refraction in periodic and quasiperiodic photonic crystals. These results may be useful references for the application of photonic crystals. The perspectives of future research on negative refraction are briefly predicted．     

含左手材料的光子晶体

讨论了含左手材料光子晶体中介电常数、磁导率与折射率间的关系,及其电磁学特性,和电磁波在其中的传播的相速度和群速度,得出了相关结论.     

Design of an air-slot mode-gap nanocavity in a two dimensional photonic crystal slab

We present a novel and simple design of an air-slot mode-gap photonic crystal(PC) nanocavity by introducing a linear air slot to the center of a line-defect waveguide in a two dimensional triangular-lattice silicon PC slab.A high quality factor(Q factor) of 8.42*105 and an ultrasmall mode volume of 0.998 cubic wavelength are achieved in an optimized air-slot nanocavity which is a suitable choice for the strong matter-field interaction in free space.The high Q cavities with ultrasmall mode volume are important for applications such as quantum computation and nonlinear optics.     

光孤子在非线性光子晶体弯曲波导中的传输特性研究

通过数值模拟方法研究了非线性光子晶体波导中光孤子的传输特性,研究重点是光在基于二维光子晶体材料制作的弯曲波导中的透射行为,结果表明光孤子经过传统方法制作的弯曲波导后能量完全衰减,而通过调制波导弯曲处晶体的结构,光孤子可以完美的传输,没有畸变和能量损耗。此外,也总结了调制波导弯曲处光子晶体结构以提高光孤子的透射率应遵循的原则。     

等效折射率模型分析二维光子晶体微谐振腔模态

 采用数值计算方法,利用等效折射率模型研究不同折射率材料制造的二维光子晶体微谐振腔的模态。发现可以通过增加薄膜厚度达到良好的光子局域化。讨论了薄膜层材料折射率分别为n=3.42,2.50,1.80,1.60,薄膜层厚度分别对应为0.1529,0.2182,0.3341,0.4003μm,其等效折射率分别对应于2.81,2.23,1.52,1.38时,达到良好光子局域,说明介质材料与空气折射率差值小的光子晶体微谐振腔结构若要有好的光子局限能力,除了需要靠介质材料本身的全反射效应外,还需有足够厚的膜层厚度。从而找到一个能控制光场分布同时维持单模振荡的机制,揭示微谐振腔体薄膜层厚度对模态影响,为实际研制具有高质量微谐振腔提供了一种较好的预估手段。