一维光子晶体的缺陷模

从传输矩阵出发,详细推导了一维光子晶体的缺陷模,得出了光子晶体的缺陷模位置、数目和组成光子晶体缺陷层的光学厚度,缺陷层数目的关系。     

一维光子晶体的量子透射特性

用光的量子理论方法研究一维光子晶体的量子透射特性,先给出一维光子晶体的量子转移矩阵和量子透射率,再计算缺陷层数目、厚度及折射率变化对一维光子晶体量子透射特性的影响.结果表明,缺陷层参数的变化对禁带位置、缺陷模位置和强度均产生影响.     

正负折射率材料组成的一维光子晶体的能带及缺陷模

利用光学传输矩阵方法,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的能带结构和缺陷模特性.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带.计算了含有普通电介质缺陷层和特异介质缺陷层两种情况下的透射谱,发现在正入射时,对于正负折射率材料组成的一维光子晶体引入普通电介质缺陷层时,其缺陷模的个数随着缺陷厚度的增大而增多,这种特性在滤波器方面有重要的应用价值.而对于传统光子晶体中引入特异介质缺陷层时,随着缺陷厚度的增大,新的缺陷模并没有出现.     

一维掺杂光子晶体的带隙结构及特征的研究

基于传输矩阵法,数值模研究了光子晶体带隙特征与光子晶体结构参量的关系。研究表明:一维光子晶体的带隙是由光子晶体结构决定的,单个基本周期结构的光子晶体不具有带隙结构,随着周期数的增加,光子带隙结构逐渐形成,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,并且导带深度随着杂质层折射率的增大而逐渐变浅,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。     

缺陷对一维线性函数光子晶体传输特性的影响

采用传输矩阵法计算光在掺杂缺陷的线性函数光子晶体中的传输特性,与不包含缺陷的结构进行比较.研究结果表明,在禁带中形成缺陷模,其强度不仅与缺陷层位置有关,而且与缺陷层折射率的变化有关,并随着缺陷层位置的移动而变弱;缺陷层位置和缺陷折射率影响着场强分布.     

复折射率介质一维光子晶体的透射特性

设计一种缺陷层为复折射率介质的一维光子晶体,并利用量子传输矩阵计算光波的透射率.结果表明:缺陷层为复折射率介质结构的光子晶体,其缺陷模个数随缺陷层厚度的增加而增加,缺陷模位置随常规介质厚度的增加向波长较小的方向移动.     

基本层厚度对一维掺杂光子晶体带隙的影响

基于传输矩阵法,数值研究了基本层厚度对掺杂一维光子晶体带隙结构的影响.研究表明：一维光子晶体掺入杂质的时候禁带中心出现导带,当结构一定时,存在一个掺杂位置使得导带深度最大;在此基础上,通过改变基本层厚度,发现反射率呈周期性变化,且一个周期内出现三个禁带,其中一个禁带中心有导带,导带深度非常大,这样可以根据需要,选择适当的基本层厚度.     

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。     

镜像对称一维光子晶体带隙特征

为了研究一维镜像对称光子晶体的传输特性,用特征矩阵法计算了其透射谱。由观察透射谱可以发现缺陷模的位置会随着介质的光学厚度和折射率的增加都往长波方向移动,缺陷模的数量会随着缺陷位置与对称轴的距离增加而逐渐由2个减为1个,说明光子晶体的带隙与它的光学厚度的大小和折射率的大小以及缺陷模与对称轴的位置都有密切的关系。     

多层掺杂对一维声子晶体缺陷模的影响

利用转移矩阵法研究了多层掺杂情况下一维声子晶体的缺陷模特征.研究发现:随着掺杂层数的变化,缺陷模的数目、透射峰和半高宽都有明显的变化.一层掺杂时,只出现一个中心缺陷模,二层掺杂和三层掺杂时除了出现中心缺陷模外,在中心缺陷模的两侧还出现了两个对称缺陷模;中心缺陷模的中心位置随掺杂层数的增加不变,对称缺陷模的中心位置随掺杂层数的增加向禁带中央移动.中心缺陷模和对称缺陷模的透射峰和半高宽都随掺杂层数的增加而减小.     

含单负材料的光子晶体的缺陷模和透射谱

用传榆矩阵法分析了由2类单负材料组成的含缺陷一维光子晶体的缺陷模及透射谱。结果表明：当缺陷为一层单负材料时。零有效相位带隙中出现2个缺陷模,且缺陷模的频率可通过缺陷层的厚度和2种单负材料的厚度比来调节。当缺陷为1组单负磁导率材料和单负介电材料组成的双缺陷时,通过选取合适的参数满足平均磁导率和平均介电常数都为零时,带隙中未出现缺陷模,而且带宽保持不变,带边电场也随着双缺陷厚度的增加而被强烈的局域。     

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.     

含缺陷模一维光子晶体的超窄带滤波特性分析

利用传输矩阵方法,计算含缺陷模的一维光子晶体中缺陷模产生的窄透过带的滤波特性。结果得出,缺陷模介质的折射率越小,产生的超窄滤波带滤波性能越好;一维光子晶体的两基元介质折射率比值越大,产生的透过带越窄;缺陷插入一维光子晶体正中间产生的滤波效果最好。     

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。     

Resonant tunneling properties of photonic crystals consisting of single-negative materials

We studied the resonant tunneling properties of one-dimensional photonic crystals consisting of single-negative permittivity and single-negative permeability media using transfer matrix methods. The results show that there exists a pair of resonant tunneling modes in this structure. The separation of the pair of tunneling modes can be tuned by varying the ratio of thicknesses of the two single-negative layers or the thickness of the defect layer. The electric field intensity of the resonant tunneling modes increases rapidly with the increase of the ratio of thicknesses of the two single-negative layers. The peak value of the field intensity of the resonant tunneling modes is enhanced by one order of magnitude when the ratio of thicknesses of the two single-negative layers increases by 0.4. This property will be applied widely in the field of nonlinearity optics. With the increase of the ratio of thicknesses of the two single-negative layers, the electric field of the tunneling modes becomes more localized, and the full width at half maximum of the tunneling modes becomes narrower. Besides, the pair of tunneling modes is insensitive to incident angle and thickness fluctuation. These properties will be used for the design of tunable omnidirectional double-channel filter with high quality factor.     

含负折射率材料的一维光子晶体光学传输特性研究

采用光学传输矩阵方法,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体中带有缺陷层时的光学传输特性.计算了含有普通电介质插层和有吸收的介质插层两种情况下的透射谱.结果表明,在正入射时,对于普通电介质插层,随插层厚度的增大,缺陷模的个数增多;对于有吸收特性的介质插层,随插层厚度的增大和吸收特性的增强,缺陷模式并没有出现,而是表现为对透射峰的明显增益.     

一维正弦型函数光子晶体带隙结构研究

我们提出一种函数型光子晶体,其折射率是一个随空间位置周期性变化的函数.基于费马原理,我们得到了光在一维函数型光子晶体中的运动方程,并利用传输矩阵的方法推导出光在一维函数光子晶体的色散关系、发射率和透射率.通过理论模拟发现,介质的折射率、半周期厚度以及入射角对光子晶体带隙变化有重要的影响.     

Experimental measurement of the photonic properties of icosahedral quasicrystals

Quasicrystalline structures may have optical bandgap properties-frequency ranges in which the propagation of light is forbidden-that make them well-suited to the scientific and technological applications for which photonic crystals are normally considered. Such quasicrystals can be constructed from two or more types of dielectric material arranged in a quasiperiodic pattern whose rotational symmetry is forbidden for periodic crystals (such as five-fold symmetry in the plane and icosahedral symmetry in three dimensions). Because quasicrystals have higher point group symmetry than ordinary crystals, their gap centre frequencies are closer and the gaps widths are more uniform-optimal conditions for forming a complete bandgap that is more closely spherically symmetric. Although previous studies have focused on one-dimensional and two-dimensional quasicrystals, where exact (one-dimensional) or approximate (two-dimensional) band structures can be calculated numerically, analogous calculations for the three-dimensional case are computationally challenging and have not yet been performed. Here we circumvent the computational problem by doing an experiment. Using stereolithography, we construct a photonic quasicrystal with centimetre-scale cells and perform microwave transmission measurements. We show that three-dimensional icosahedral quasicrystals exhibit sizeable stop gaps and, despite their quasiperiodicity, yield uncomplicated spectra that allow us to experimentally determine the faces of their effective Brillouin zones. Our studies confirm that they are excellent candidates for photonic bandgap materials.     

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．