外磁场作用下一维光子晶体的光传输特性研究

论文摘要

光子晶体是按照晶体的对称性制备的周期性介电结构，其基本特征是具有光子带隙结构。光子晶体的带隙结构由光子晶体的对称性、组分材料的介电常数和原胞的尺寸决定。对于普通的光子晶体，其组分材料的结构固定后，光子能带的位置、形状就不能再发生变化。如果能够在不改变光子晶体组分材料的条件下，通过改变外部参数来调控能带，则可以对光子晶体的光传输特性进行更有效地调控。本文所研究的就是通过外加静磁场来调控光子带隙结构。介质的光学性质是用介电函数描述的。介电函数依赖于介质中带电粒子对外场的响应。在经典物理中，带电粒子对光场的响应可以用Lorentz振子模型描述，即带电粒子的运动可以看作在交变电场驱动下的受迫振子，介电函数由极化强度与外场的关系确定。如果将外磁场作用于光子晶体，由于洛仑兹力对带电粒子的作用，介电函数变成各向异性的张量，并在介电函数中出现新的频率参数—回旋频率。介电函数张量不仅依赖于光波的频率，而且依赖于外磁场的大小。此时，光子晶体组分材料的折射率受到磁场的调制，使光学厚度也随之调制，导致在其中光传播时相移的不同，这将对光子晶体的透射谱和带隙结构产生影响。本文从光的电磁理论出发，结合固体物理中的能带理论，运用传输矩阵法，对外磁场作用下一维光子晶体的光传输特性进行理论研究。考虑Voigt效应，即外磁场方向与光传播方向垂直，此时介电函数的变化对TE波没有影响，仅仅影响TM波。在外磁场作用下，围绕回旋频率ω_c，介电函数出现了新的共振区域，使组分材料的色散关系发生明显改变，导致在等离子频率附近的能带发生分裂，透射谱出现复杂结构。在光子带隙中出现窄通带，窄带中的光是局域的，带边电场分布的局域化更加明显。在一些频率范围和入射角度范围内，透射谱敏感地依赖于外磁场。当外磁场方向与光传播方向平行时，即Faraday效应下，出现了左旋偏振和右旋偏振，使光子晶体组分材料的左、右旋偏振介电函数受外磁场调制。对于右旋偏振的TM波，介电函数在外磁场的作用下，原来取负值的区域中出现一个共振吸收区，在其中介电函数出现了由正值到负值的急剧转变。透射峰向高频率区域移动，在低频率区域，随磁场的加大出现越来越多狭窄的透射峰和扁平的能带。而对于左旋偏振的TM波，外磁场对介电函数的调制很微弱，致使透射峰和光子晶体带隙向低频率区域缓慢移动，带边电场分布的局域化将发生改变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 光子晶体及其应用
• 1.3 磁光效应
• 1.4 可调光子晶体
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 外磁场作用下的光传输矩阵
• 2.1 引言
• 2.2 外磁场作用下单层介质的介电张量
• 2.3 外磁场作用下电磁波在单层介质中的传输矩阵
• 2.3.1 Voigt效应下的传输矩阵
• 2.3.2 Faraday效用下的传输矩阵
• 2.4 本章小结
• 第三章 外磁场作用下一维光子晶体Voigt效应的光传输特性
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型
• 3.3 数值计算与分析
• 3.3.1 介电函数随外磁场的变化
• 3.3.2 外磁场作用下一维光子晶体Voigt效应的透射谱
• 3.3.3 光场分布随外磁场的变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 外磁场作用下一维光子晶体Faraday效应的光传输特性
• 4.1 引言
• 4.2 物理模型
• 4.3 数值计算与分析
• 4.3.1 介电函数随外磁场的变化
• 4.3.2 外磁场作用下一维光子晶体Faraday效应的透射谱
• 4.3.3 光场分布随外磁场的变化
• 4.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果