一维光子晶体的可调谐光学和磁光性质的研究

论文摘要

因为光子晶体具有光子带隙和光子局域等性质,所以利用光子晶体可以如人所愿地控制光子的运动,从而可用来制作全新概念的高性能光电子器件。鉴于光子晶体器件具有高集成度、高稳定性、高工作速度等优点,对光子器件的研究必将会推动集成光电子器件和光通信领域的发展。也正是由于光子晶体独特的性能和潜在的应用前景,近年来,关于光子晶体的研究引起研究者们广泛兴趣。大量理论和实验研究表明,一维光子晶体的光学和磁光性质受到缺陷层的影响很强烈。本文理论上论证了通过引入多个磁性缺陷层设计对称的多缺陷结构,改变缺陷层的结构参数,进而可以改变光子晶体缺陷态的位置和相应法拉第旋转角的峰值位置。在适当的条件下,在光子晶体和非均匀薄膜的界面处可以出现光学表面态(塔姆能级)。此外,当选择液晶材料作为缺陷层时,由于受外部环境(如外加电场、环境温度)的影响,液晶材料的光学厚度得到改变,从而可以达到调控光子晶体光学性质的目的。本文的研究为相关实验和器件的制备有一定的参考价值。文章主要内容为:一、一维多缺陷磁光子晶体磁光效应单独调控我们利用传输矩阵方法计算了含有多层磁性材料缺陷的一维磁光子晶体的传输特性。通过引入多个缺陷层,可以理论上实现多通道磁光隔离器的设计。数值模拟还表明:通过单独地改变磁性材料的结构参数,每个磁光通道都可以独立地调控。此外,在相应的缺陷模频率处,其法拉第旋转角明显增大。因此,这类磁光子晶体对可调的多通道的磁光隔离器的设计有潜在的实际应用价值。二、含向列型液晶一维光子晶体的温度依赖的光学性质的研究我们从理论上研究了含向列型液晶缺陷层的光子晶体的光学性质。我们发现:通过改变环境温度可以导致透射峰大的红移或者蓝移;当液晶分子的长轴与入射电场的电矢量不平行也不垂直时,透射曲线中会出现两个透射峰。两个透射峰出现主要来源于电场方向沿着和垂直于液晶分子长轴的偏振光具有不同的共振模。同时透射曲线尖峰所对应的波长位置,其极化偏转也相应得到了很大的增强。计算结果还表明:电场方向平行于液晶分子长轴的偏振光所对应的透射峰对温度的变化较为敏感。而当温度接近液晶的转变温度时,极化偏转随着温度的变化尤为明显。主要是由于液晶由原来的各向异性变为后来的各向同性。这些理论研究结果有助于设计性能优异的温度传感器。三、非均匀材料构成的异质结构的光学表面态我们研究了由一维光子晶体和折射率梯度变化的非均匀薄膜构成的异质结构的光学性质。研究表明:在此异质结构的光子晶体与非均匀薄膜的界面处,存在有一个很窄的局域的表面态,也就是所谓的光学表面态。当光学表面态出现时,对应的光子带隙内就会有一个透射峰,而且在光子晶体与非均匀薄膜界面处电场强度明显增强。数值结果还发现,光学表面态的位置与非均匀薄膜的周期常数和光子晶体靠近非均匀薄膜界面的第一层膜的厚度密切相关。而且,非均匀薄膜的折射率的变化形式对光学表面态的出现也起着至关重要的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 光子晶体简介
• 1.1.1 光子晶体的定义
• 1.1.2 光子晶体的主要特征
• 1.1.3 光子晶体的应用及研究现状
• 1.2 光子晶体的理论研究方法
• 1.2.1 平面波展开法
• 1.2.2 传输矩阵法
• 1.2.3 有限差分时域法
• 1.2.4 COMSOL Multiphysics
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 一维多缺陷磁光子晶体磁光效应单独调控
• 1.3.2 含向列型液晶一维光子晶体的温度依赖的光学性质的研究
• 1.3.3 非均匀材料构成的异质结构的光学表面态
• 参考文献
• 第二章 一维多缺陷磁光子晶体磁光效应单独调控
• 2.1 理论模型和计算方法
• 2.1.1 光的态矢量
• 2.1.2 光在单层介质膜传播的传输矩阵
• 2.1.3 光在多层介质膜传播的传输矩阵
• 2.1.4 透射率、反射率和法拉第效应的计算
• 2.2 计算结果及其分析
• 2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 含向列型液晶一维光子晶体的温度依赖的光学性质的研究
• 3.1 模型和理论
• 3.2 数值计算结果和分析
• 3.3 小结
• 参考文献
• 第四章 非均匀材料构成的异质结构的光学表面态
• 4.1 基本模型和理论方法
• 4.2 计算结果及其分析
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 硕士期间论文发表情况
• 致谢