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.     

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.     

二维声子晶体负折射成像效应及其分辨率对比

采用有限元分析方法,研究了声子晶体负折射现象与板厚度的关系.通过对比分析声子晶体单板成像系统和串联式声子晶体多板成像系统,结果发现多板系统的像点强度较强,但分辨率却高于单板系统.利用串联式声子晶体多板成像系统可以提高成像质量.     

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．     

负折射材料中电磁波的传播机理研究

该文从理论上研究了负折射材料表面的反射与透射特性,给出了归一化的反射透射功率与入射角之间的关系曲线.当入射波为垂直和（TE波）时,得到了发生负折射时的全内反射角随参数和材料折射率的变化关系.介质中的一个本征波透射到法线的另一侧,其功率流方向与传播的波矢方向相反.     

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.     

各向异性异质材料中的Goos-Hnchen位移研究

对单轴各向异性材料中的负折射进行了讨论,并对具有负折射率的准左手介质(NI-QLHM)表面的古斯-汉森位移进行了详细的理论研究,给出了横电(TE)波和横磁(TM)波入射时的古斯-汉森位移d和穿透深度dz的表达式.对TE入射波的情况进行了数值模拟,结果显示,在μz0的情况下,频率ω分布在4~6GHz之间时,各向异性材料为NI-QLHM.而磁导率分量|μz|越小,在NI-QLHM频率区域越容易实现全反射;随着频率的增加,临界角减小,从而发生全反射的入射角的范围增加,同时也将导致准左手化材料的有效折射率减小.结果还显示,对于同一个入射角,随着频率ω的增加,古斯-汉森位移减小,即随着折射率n的减小,古斯-汉森位移减小.而穿透深度dz与古斯-汉森位移d相对应,穿透深度越大,古斯-汉森位移也越大.     

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．     

铁磁线阵的负折射频率区域

从理论上研究了外磁场中的二维正方格子铁磁线阵（FWL）模型的负折射性质,计算中选用的铁磁材料分别为铁（Fe）,钴（Co）,镍（Ni）和钆（Gd）.计算了这些FWL系统的几何参数对于其负折射频率范围的影响以及负折射率随着外磁场变化的规律.发现提高负介电常数频率比较容易实现,而提高负磁导率频率则比较困难.这是因为负磁导率频率主要受饱和磁化强度的限制.所以高饱和磁化强度是提高负折射频率的关键.     

宽带低反射式通风声屏障

提出了一种基于长方晶格型声子晶体结构的波矢调制特性的声屏障设计机理.该声屏障能够以极低的反射率将入射声波导引至内部,并在相对于原有的传播方向偏移一定距离后出射,从而产生局部的声静区.由于该机理不依赖于粘滞吸收效应或负的等效声学参数,因而可保证出射声波的强度及波形均与入射声波相近,使得所设计的声屏障能够在隔声的同时有效地将入射声能量导引至预设的位置进行吸收或进一步利用,并且具有较宽的工作频带.数值计算结果证明在7750~10000Hz频率范围内均有35dB左右以上的隔声量,最大隔声量可达50dB.此外,区别于传统重墙隔声,声子晶体薄板在隔声时未导致背景媒质的阻断,留有与声波波长同尺度的间隙.这些特性对于在实际隔声问题中的应用具有重要价值.     

声子晶体滤波特性研究

声子晶体的滤波特性引起了科技工作者的广泛关注.在二维三组元局域共振声子晶体中,通过引入两种不同填充率的共振单元分别位于规则的六角形的角顶和中心构成的缺陷态波导结构,以此为基础构建声子晶体相应的实验模型,然后基于Comsol仿真平台,模拟特定频率的声波激励声子晶体过程,计算声子晶体幅频响应函数。仿真结果表明,声子晶体可以方便设计出新型的高效、声滤波器。     

三角阵列超材料的声传播特性

为了使声波产生不同于传统天然声学材料的反常传输特性,采用COMSOL有限元方法模拟了声波在局域共振型声子晶体中的传播特性,给出了二维三组元局域共振型声子晶体的振动机制,并以原胞为基础构建了三角形阵列的声学超材料模型,探究声波与该模型内原胞间的局域共振特性。仿真结果表明,从三角阵列模型底边入射的平面点状及线状激励声源在受到模型的调控后都会重新在顶角处汇聚成焦点;通过入射由三角阵列构成的矩形模型能实现点源的低损耗搬移效果;将两至三个相同的三角阵列组合成平行四边形和梯形模型后会产生平面声波的变向传输。模拟结果显示,此种以原胞为基础的三角形声学超材料阵列模型,在共振频率下会产生反常声学现象,并且随着模型构造的改变,其共振特性也会随之变化,产生不同的反常声学现象。研究结果可为声隐身、声探测及声波低损耗定向传输等研究提供新思路。     

多相材料声子晶体微结构的拓扑优化设计

声子晶体的带隙特性可以通过调整其周期性的微结构来控制,具有很强的可设计性,因此在材料的隔振、隔声和滤波等领域具有潜在的应用价值。通过遗传算法和拓扑优化技术研究了二维三相声子晶体的优化设计,并给出了三个算例研究。结果表明：三相材料能够得到更好的隔振效果;对比两相材料,三相声子晶体能够进一步降低禁带频率,并得到更大的相对带宽。可见,利用进化算法进行多相声子晶体的拓扑优化设计是可行的。     

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.     

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。     

各向异性固体层的声反射和透射谱

考虑到由流体斜入射到各向异性固体时超声波模式转换的一般情况 ,研究了浸没于流体中一般各向异性固体层状材料的声反射和透射问题 ,给出了问题的求解方法 ,得到各向异性固体层的声反射和透射系数是介质参数 ,固体层取向和厚度 ,入射角及入射波频率的函数 ,给出了从流体斜入射到正交复合材料板上的声反射和透射谱的数值解例     

一种双局域共振型压电声子晶体梁的带隙与振动衰减特性

通过在环氧树脂梁上周期性黏贴压电层,并连接含有两个分支的谐振分流电路,构建了含压电分流电路的声子晶体梁结构。使用传递矩阵法(TM)计算压电声子晶体梁的带隙特性,发现这种压电声子晶体梁结构可产生两个局域共振带隙,并且这两个局域共振带隙都可以通过改变电路参数来调节位置和带宽等,这就可以很方便的对两个频段的弹性波的传播进行控制。采用有限元仿真分析计算压电声子晶体梁的振动传输特性,仿真结果验证了理论分析的正确性。研究结果为压电智能型声子晶体的波传播控制提供了一种新的手段。     

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.     

一维光子晶体中的几率密度和拓扑相

用光量子理论给出一维光子晶体(AB)^N中光子的几率密度、几率流密度和Zak相, 当介质B的折射率n_b=1.12时, 用量子方法计算出三条带的Zak相. 结果表明:  当入射角θ和周期数N改变时, 光子晶体的几率密度和几率流密度近似为周期变化, 且其振幅随入射角θ和周期数N的增加而增大; 当入射光的频率与透射率T=100%相对应时, 几率密度的振幅最大, 当入射光的频率与透射率T=0相对应时, 几率密度不为零, 但几率密度的振幅迅速衰减到零, 即光子晶体中存在光子的量子隧道效应.     

Low frequency dispersion law for two-dimensional metallic photonic crystals

Using the rigorous multiple-scattering theory, we study the dispersion relation of electromagnetic （EM） waves in two dimensional dielectric photonic crystals （PCs） and metallic photonic crystals （MPCs） in the low-frequency limit. Analytic formula for the effective velocity of EM waves in PCs and MPCs is obtained. Accuracy of our formula is checked by comparing the results with rigorous calculations. For PCs, our result is exactly the same as the coherent potential approximation （CPA）, which is accurate even when the filling fraction is high. But for MPCs, our approach demonstrates special advantages, while the CPA theory fails, in predicting the effective velocity of EM waves in MPCs at low frequency.