光子晶体的异常色散特性及其应用研究

论文摘要

光子晶体是通过对介电常数分布进行周期性调制得到的人工材料。过去人们主要研究光子晶体的禁带效应,如用光子禁带实现光子晶体激光器、直角拐弯光子晶体波导、点缺陷共振窄带滤波器等。另一方面,如果合适选择光子晶体的色散特性,光子晶体也可以用来实现例如超棱镜、自聚焦、负折射、慢波等效应。 本论文着重研究具有异常色散特性的光子晶体结构及它们的应用,通过特殊设计光子晶体的色散特性,以获得所需的性能。 全文分为六章。论文第一章介绍了本论文研究的背景和当前国内外进展。第二章介绍本文中用到的数值计算方法,包括平面波展开法,时域有限差分法和多重散射方法,另外还分析了光子晶体平板结构的能带、损耗和群速度异常等特性。第三章介绍了我们提出的基于多孔氧化铝模板-银纳米线阵列的二维负折射光子晶体结构和基于多光束干涉方法的三维负折射光子晶体结构,这两种负折射光子晶体均适用于可见光波段。多孔氧化铝模板制备以及在氧化铝模板中生长银纳米线是电化学过程,不涉及昂贵的实验设备,制备过程简单。多光束干涉光刻技术可以以相对较低的成本得到大面积无缺陷的三维周期结构。以往对这两种结构的研究主要关注禁带特性,论文首次提出了它们的负折射特性。第四章我们提出了一种新的偏振分束原理,设计光子晶体的色散特性,使得其等效折射率对两个偏振态分别表现为正值和负值,从而让一个偏振态的光经历正折射,而另一个偏振态的光经历负折射,把两个偏振态的光束分开。基于二维光子晶体设计了偏振分束器,并在近红外波段进行了原理性实验验证。第五章讨论了光子晶体结构在提高发光二极管抽取效率中的应用,介绍了用三束光干涉制备二维点阵光子晶体掩膜这一批量生产方式。最后总结了本论文的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 前言
• 1.1 光子晶体
• 1.1.1 光子晶体的概念
• 1.1.2 光子晶体的光学特性
• 1.1.3 光子晶体的制备
• 1.2 一维周期结构中光波的传播
• 1.2.1 周期结构
• 1.2.2 一维周期结构
• 1.2.3 Bloch波和能带结构
• 1.2.4 相速度、群速度和能量速度
• 1.2.5 等频率曲线
• 1.3 光子晶体的负折射特性
• 1.3.1 左手材料
• 1.3.2 负折射光子晶体
• 1.4 光子晶体的超级棱镜特性
• 1.5 光子晶体的类透镜特性
• 1.6 光子晶体的群速度异常
• 1.7 论文的内容安排
• 2 光子晶体能带计算
• 2.1 引言
• 2.2 时域有限差分法
• 2.2.1 广义坐标系下的时域有限差分算法
• 2.3 多重散射方法
• 2.3.1 平行圆柱有限系统的多重散射
• 2.3.2 多重散射法计算周期系统能带
• 2.4 倒格矢空间与Brillouin区
• 2.5 维圆柱系统能带计算
• 2.6 光子晶体平板结构
• 2.6.1 光子晶体平板结构的概念
• 2.6.2 光子晶体平板结构的能带分析
• 2.7 小结
• 3 负折射光子晶体结构
• 3.1 引言
• 3.2 光子晶体负折射的概念
• 3.3 基于多孔氧化铝模板的二维负折射光子晶体
• 3.3.1 多孔氧化铝模板
• 3.3.2 金属—介质复合二维负折射光子晶体结构
• 3.4 基于多光束干涉模板的三维负折射光子晶体
• 3.4.1 多光束干涉技术
• 3.4.2 双连通体心立方三维负折射光子晶体结构
• 3.4.3 可见光波段实验方案讨论
• 3.5 小结
• 4 基于二维光子晶体正负折射效应的偏振分束器
• 4.1 引言
• 4.2 基于金属光子晶体的偏振分束器
• 4.3 基于介质光子晶体的偏振分束器
• 4.4 硅基光子晶体平板偏振分束器的原理性实验
• 4.5 基于石墨点阵介质光子晶体的偏振分束器
• 4.6 小结
• 5 光子晶体在提高发光二极管输出效率中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 氮化镓发光二极管基础
• 5.2.1 利用光子晶体提高GaN基LED抽取效率
• 5.3 光子晶体提高发光二极管抽取效率的数值分析
• 5.4 二维光子晶体掩膜的多光束干涉制备
• 5.4.1 三角点阵
• 5.4.2 方形点阵
• 5.4.3 石墨点阵
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢