光子晶体性质数值模拟

论文摘要

光子晶体作为一种新型的人造周期结构材料,由于它的应用十分广泛,因此,它的出现很快就引起了学术界的普遍重视。随着对光子晶体研究工作的深入,科技工作者乐观地认为光子晶体的研究与应用对光子学和光子产业的发展必将起到极大地推动作用。本文采用平面波展开法和基于平面波的传输矩阵法对二维光子晶体和layer-by-layer结构三维光子晶体带隙进行了数值研究,针对双光子飞秒激光微加工技术制作的layer-by-layer结构三维光子晶体,进行了理论模拟并与实验测量得到的反射谱进行了比较和分析。本课题是在国家自然科学基金（No.50335050）资助下完成的。本文的主要研究工作及成果如下:1.在寻找具有更大带隙的二维光子晶体方面进行了理论研究。我们采用平面波展开法对两类晶格（三角晶格和正方晶格）及圆形空气孔和两种非圆形空气孔（正方形和六边形）构成的二维光子晶体的带隙率进行了数值研究,分析了填充比f对带隙率ωR的影响。结果表明,晶格对称结构和空气孔形状对带隙大小有影响。给定晶格对称结构,选择具有相同对称形状的空气孔能得到较大的光子带隙。在这三种空气孔当中,三角晶格对应六边形空气孔有最大带隙率,当填充比f=0.8时,带隙率ωR=23.3%;正方晶格对应正方形空气孔有最大带隙率,当填充比f=0.67时,带隙率ωR=14.7%,并给出了物理解释。2.对一类具有完全光子带隙的layer-by-layer结构三维光子晶体进行了理论研究。我们采用基于平面波的传输矩阵法计算了layer-by-layer结构三维光子晶体的反射谱,分析了棒间距α,棒宽度w,棒厚度h及介质折射率n等参数对带隙的影响,并从理论模拟的结果得出了结论:反射谱的峰值对应的波长随着棒间距α的增大而减小;随着棒宽度w的增大,棒厚度h的增大而增大;介质折射率n越大得到的光子晶体带隙也越大。3.针对双光子飞秒激光微加工技术制作的layer-by-layer结构三维光子晶体,进行了理论模拟并与实验测量得到的反射谱进行了比较和分析,二者符合较好。上述研究工作为设计大带隙二维光子晶体及layer-by-layer结构三维光子晶体的应用研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体的概念及其特性
• 1.1.1 光子晶体的概念
• 1.1.2 光子晶体的特性
• 1.2 光子晶体的理论研究
• 1.2.1 平面波展开法
• 1.2.2 传输矩阵法
• 1.2.3 时域有限差分法
• 1.2.4 散射矩阵法
• 1.2.5 N阶法
• 1.3 光子晶体的制作方法
• 1.3.1 精密机械加工技术
• 1.3.2 逐层叠加法
• 1.3.3 刻蚀方法
• 1.3.4 胶体自组织法
• 1.3.5 反蛋白石结构法
• 1.3.6 激光全息记录法
• 1.4 光子晶体的应用
• 1.4.1 平面微波天线
• 1.4.2 宽带带阻滤波器和极窄带选频滤波器
• 1.4.3 光子晶体微腔
• 1.4.4 光子晶体波导
• 1.4.5 光子晶体光纤
• 1.4.6 光子晶体发光二极管、激光器
• 1.4.7 光子晶体偏振片
• 1.4.8 光子晶体超棱镜
• 1.4.9 光子晶体的其他应用
• 1.5 本论文研究意义和主要内容
• 第二章 光子晶体带隙计算的数值分析方法
• 2.1 光子晶体的基本理论
• 2.2 平面波展开法
• 2.2.1 光子晶体的介电常数
• 2.2.2 二维光子晶体的平面波展开法
• 2.2.3 三维光子晶体的平面波展开法
• 2.2.4 光子晶体能带结构的计算
• 2.3 基于平面波的传输矩阵法
• 2.3.1 空气层中的电磁场
• 2.3.2 光子晶体片层中的电磁场
• 2.3.3 单个片层的散射矩阵
• 2.3.4 透射系数与反射系数
• 第三章 非圆形空气孔型二维光子晶体带隙率研究
• 3.1 二维光子晶体的平面波展开法
• 3.2 理论计算与分析
• 3.2.1 三角晶格
• 3.2.2 正方晶格
• 3.3 本章小结
• 第四章 layer-by-layer结构三维光子晶体带隙研究
• 4.1 layer-by-layer结构三维光子晶体反射谱计算
• 4.1.1 layer-by-layer结构三维光子晶体介绍
• 4.1.2 反射谱计算
• 4.2 四种参数对layer-by-layer结构三维光子晶体带隙的影响
• 4.2.1 棒间距a对光子晶体带隙的影响
• 4.2.2 棒宽度w对光子晶体带隙的影响
• 4.2.3 棒厚度h对光子晶体带隙的影响
• 4.2.4 介质折射率n对光子晶体带隙的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 layer-by-layer结构三维光子晶体的加工制作
• 5.1 双光子三维微细加工技术
• 5.1.1 双光子微细加工特点
• 5.1.2 双光子微细加工最新进展
• 5.2 双光子微细加工系统
• 5.3 双光子微细加工工艺参数
• 5.3.1 实验设计
• 5.3.2 单点曝光实验
• 5.4 layer-by-layer结构三维光子晶体加工制作
• 5.5 光子晶体反射谱测量和理论模拟结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 本论文的创新之处
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢