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．     

准周期光子晶体的传输特性

本文利用数值模拟和实验的方法研究了准晶光子晶体的传输特性和局域特性.能流和态密度的计算结果都表示十二重准晶光子晶体具有光子带隙.但是,和周期性的光子晶体不同,具有确定频率的电磁波局域在无缺陷的十二重准晶光子晶体中.理论分析表明,这种局域模是由准晶光子晶体结构中的无序性和自相似性相互竞争的结果.     

新型线性函数光子晶体的光子二极管

研究一维线性函数光子晶体的透射特性及光正入射和反入射时的电场分布特性. 结果表明, 线性函数光子晶体可放大或衰减光的电场强度.     

电磁波传播中的超光速群速和负群速

分析了产生群速超光速和负群速的条件。讨论了截止波导中消失波条件下的超光速群速和负群速。用模拟同轴光子晶体的结构进行实验,获得了阻带中的超光速群速,Vg=(1.5-2.4)c。     

Superluminal and Negative Group Velocity in the Electromagnetic Wave Propagation

1Introduction　InthestudyoftheEMwavepropagationintheearly 1 9thcentury,thephasevelocityofwavesisbroughtforward ,whichisdefinedasthepropagationvelocityofthephaseofharmonicwavesandcanbewrittenas:Vp =ω β (1 )Whereβisaphaseconstant.In 1 839,W .R .Hamiltonbroughtforwardaconceptofgroupvelocitytoexplainsomeofsuchcomplexphenomenaastwowavesofdifferentfrequen ciespropagatetogetherinonemedium .In 1 877,Rayleighgavethedefinitionofthegroupvelocityinhisfamousbook“TheoryofSound”andthegroupvelocityis…     

结构功能一体化的高性能陶瓷材料的研究与开发

从当前新材料的开发和材料科学发展向多功能、小型化、复合化、低成本制备等要求出发, 并就现有高性能陶瓷材料的基本性能和材料制备工艺上的优缺点进行了分析；简要介绍了碳化硅(SiC)陶瓷、 添加Nd的钇铝石榴子石(Nd-YAG)陶瓷、掺有稀土的氮化硅(RE-Si3N4)陶瓷等几种具有结构和功能一体化高性能陶瓷材料的优良性能,可能的应用以及目前存在的问题,特别是在基础研究和制备科学上今后应予以关注的方面。     

光波在一维光子晶体中传播行为的数值研究

由Kronig-Penney模型导出了光波在一雏光子晶体中传播的群速度的解析表达式，利用传输矩阵法对一维光子晶体的色散关系和群速度分布特征进行了数值研究．结果表明，光波在光子晶体中传播的群速度与光子带隙结构及色散特性有着密切的联系，光子导带内的群速度为有限值，在光子禁带的边缘，群速度迅速减小而趋于0，光的传播具有显著的带边延迟效应．同时，在反常色散区，群速度为负值，光的传播表现出明显的超光速现象．光子晶体的结构参数直接影响光波在光子晶体中的群速度．     

一维光子晶体滤波器滤波性能的影响因素研究

利用光学传输矩阵法研究了一维光子晶体滤波器滤波性能的影响因素,研究结果表明:光子晶体单元周期数对滤波器品质因数和滤波波长透过率均有重要影响,是光子晶体滤波器设计的关键因素;光子晶体单元厚度增加将使滤波波长红移,与光子晶体禁带中心波长并不重合,禁带中心波长相对于滤波波长蓝移;入射波角度对滤波性能也有影响,随入射角增大,滤波波长的透过率逐渐增大,垂直入射时达最大值.     

分析TE模式入射角对光子晶体禁带特性的影响

利用光学传输矩阵方法,分析了TE模式光波的入射角度分别与禁带宽度、光子带隙起始波长的关系,通过优化计算得到了一系列特殊带隙结构的光子晶体,揭示了光子晶体的带隙变化规律,对不同禁带范围的要求选取恰当参数来制备所需要的光子晶体提供了理论依据。     

Photonic Bandgap Properties of One-Dimensional Photonic Crystal Consisting of Complex Artificial Media

0Introduction Photonicbandgap(PBG)structureshavebeenextensive lystudiedduringthepastdecade[13],duetothepossi bilityofhandlinglight.ThePBGmaterialsareperiodical structurescomposedofmetallicordielectricelements.Thefirstcharacteristicofthisbehavioristoforbidthepropagation oftheelectromagneticwaveswhosefrequencyincludedwithintheirfrequencybandgap.Thebanddependsonthematerial structure,i.e.,dimensions,periodicityandpermittivity.Thesecondmajorcharacteristicistheabilitytoopenlocalizedelec tromagnet…     

Complete photonic bandgaps in 12-fold symmetric quasicrystals

Photonic crystals are attracting current interest for a variety of reasons, such as their ability to inhibit the spontaneous emission of light. This and related properties arise from the formation of photonic bandgaps, whereby multiple scattering of photons by lattices of periodically varying refractive indices acts to prevent the propagation of electromagnetic waves having certain wavelengths. One route to forming photonic crystals is to etch two-dimensional periodic lattices of vertical air holes into dielectric slab waveguides. Such structures can show complete photonic bandgaps, but only for large-diameter air holes in materials of high refractive index (such as gallium arsenide, n = 3.69), which unfortunately leads to significantly reduced optical transmission when combined with optical fibres of low refractive index. It has been suggested that quasicrystalline (rather than periodic) lattices can also possess photonic bandgaps. Here we demonstrate this concept experimentally and show that it enables complete photonic bandgaps--non-directional and for any polarization--to be realized with small air holes in silicon nitride (n = 2.02), and even glass (n = 1.45). These properties make photonic quasicrystals promising for application in a range of optical devices.     

非饱和多孔介质中弹性波的传播特性

基于混合物理论,引入Bishop有效应力公式,建立了非饱和土中的动力控制方程.经过理论推导,给出了体波的传播速度及衰减的解析表达式.同时发现,在非饱和土中存在3种压缩波(P1、P2和P3波)和1种剪切波(S波).数值分析表明:4种体波均具有不同程度的弥散性,在一定的频率范围,波速随着频率的升高而增大,其中P2、P3波的波速受频率的影响强烈;饱和度对波的传播速度亦有显著的影响,且在不同的频率范围,其影响规律不同,在有实际工程意义的低频段,饱和度的增高将导致P1、P3波的波速增大和P2、S波的波速减小.4种体波中P2、P3波的衰减较大,且随着频率的升高衰减迅速增加,而P1、S波的衰减则很小,受频率的影响也相对较小.     

利用光子晶体的禁带特性实现无源电磁屏蔽

为了实现一维二元光子晶体的全方位禁带,利用传输矩阵法,对于不发生Brewester效应的一维光子晶体的禁带结构特点进行了研究,获得了TE波和TM波的反射率随频率和入射角的变化关系图,分析了TE波和TM波光子禁带特征.根据全方位禁带特性,提出了一种新的光子晶体的无源电磁屏蔽设计,并指出了在给定屏蔽频段范围内,两种介质光学厚度的选取范围.数值计算表明了只要TM波满足屏蔽条件就能实现电磁屏蔽.     

一维光子晶体表面模的特性

【目的】研究一维光子晶体表面模的特性,探究使用衰减全反射(ATR)技术激发光子晶体表面模的可行性。【方法】采用超元胞法和迭代菲涅尔方程计算一维光子晶体表面模的色散曲线及其ATR反射谱(利用棱镜装置)。【结果】当一维光子晶体最外层是高折射率层时,改变其厚度可以灵活控制表面模,相同带隙内不同位置的表面模其电场局域性不同;能带图中同一带隙内远离真空光线且居于带隙中部的表面模其电场局域性更强。【结论】利用棱镜装置能激发一维光子晶体的表面波;通过反射谱的形状和极小值点的位置可以判断透射介质的光学性质。     

SiO2/ZnO 三维光子晶体的制备及光学性质

采用垂直沉积法制备了三维SiO2光子晶体模板。以醋酸锌为前躯体,成功制备了SiO2/ZnO三维复合光子晶体。扫描电子显微镜测试结果表明SiO2和SiO2/ZnO光子晶体均为面心立方结构排列。光学测试表明SiO2和SiO2/ZnO周期性阵列均在[111]方向出现了光子带隙。当具有较高折射率的ZnO材料包覆后,SiO2/ZnO 光子晶体[111]方向光子带隙的中心波长发生红移,光子晶体基元材料的有效折射率有所增加。同时,光子晶体的光学性质与样品内部的缺陷态密度密切相关。     

On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals.

Photonic bandgap crystals can reflect light for any direction of propagation in specific wavelength ranges. This property, which can be used to confine, manipulate and guide photons, should allow the creation of all-optical integrated circuits. To achieve this goal, conventional semiconductor nanofabrication techniques have been adapted to make photonic crystals. A potentially simpler and cheaper approach for creating three-dimensional periodic structures is the natural assembly of colloidal microspheres. However, this approach yields irregular, polycrystalline photonic crystals that are difficult to incorporate into a device. More importantly, it leads to many structural defects that can destroy the photonic bandgap. Here we show that by assembling a thin layer of colloidal spheres on a silicon substrate, we can obtain planar, single-crystalline silicon photonic crystals that have defect densities sufficiently low that the bandgap survives. As expected from theory, we observe unity reflectance in two crystalline directions of our photonic crystals around a wavelength of 1.3 micrometres. We also show that additional fabrication steps, intentional doping and patterning, can be performed, so demonstrating the potential for specific device applications.     

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。     

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.     

波粒二象性理论与波速问题探讨

速度是宏观的概念;在量子力学中速度表示什么,本来无法回答。在半经典理论中,为重新定义速度,可取v→=▽S/m[m是粒子质量,S满足ψ=Aexp(j S/h)]。这样虽建立了速度与波函数的联系,却不是波科学中必需而有用的波速概念。真空中光速c是一个普遍性基本物理常数,量子力学显然也需要这个参数,亦即新波动力学需要这个物理量。从人类实践过程和结果看,科学家若企图确定c的最精确值,必须依靠标量方程c=fλ这样的标量描述才能实现。现代物理学认为波速度(相速vp、群速vg)是标量而非矢量。波动具有独特的科学性质,其规律与经典力学不同,它需要量子力学支持,又不等同于严格的量子力学。目前尚无单独一个理论能完美解释波科学问题,处在经典物理和量子物理并用的局面。电磁场的量子化过程为光的波粒二象性提供了基本的数学诠释,即连续展布于空间的电磁场在量子化后得到光子。尽管如此,"光子是什么"的难题仍困扰着科学家。通常认为电子的物质波是几率波,光子的波动是电磁波而非几率波。但在分析处理双光子纠缠时又在使用几率波理念,这样光子的波是什么仍未解决。另外,电子几率波与Schrdinger方程对应,但有一种观点认为光子几率波尚无可对应的波方程。另一方面,物质波相速的物理意义并不清晰;而de Broglie波的相速是超光速的,对此还需要更多的说明。类似的许多例子表明,波粒二象性仍是现代物理学中的一个待解之谜。最后,近年来对负波速(NWV)的研究既使波科学更加丰富,也为发展理论思维提供了新的契机。     

一维正负折射率光子晶体结构禁带及传播特性

采用传递矩阵的方法研究了由正折射率材料和负折射率材料交替排列组成的一维光子晶体结构的透射谱,并对其能带结构和色散关系进行分析,这种正负折射率光子晶体不仅存在一般的布拉格禁带,还存在低频共振禁带.本文也对含左手材料的一维无序结构的局域化进行了分析研究.