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新型三维光子晶体带隙结构研究

【摘要】:所谓光子晶体,是指具有光子带隙的一种新型光功能材料,是二十世纪八十年代末才出现的新概念。由于其具有的优异的性质,使得光子晶体成为理想的控制光波的工具,而光子晶体的带隙结构作为光子晶体的最基本特性,也是更好地利用光子晶体的前提。本文对三维光子晶体的带隙结构的分析,将对更好地研究、制备和利用光子晶体起到重要作用。 本文在对光子带隙进行数值模拟时使用的是时域有限差分方法,这种方法因其特有的时域特性,在对光子晶体带隙结构研究时有较多的优势。 利用时域有限差分方法,对三种经典结构三维光子晶体和一种新型三维光子晶体(方柱堆积结构三维光子晶体)的带隙结构进行了计算分析,并改变介电常数、占空比和填充介质形状等参数,观察不同的参数条件下,不同结构的三维光子晶体中是否存在完全光子带隙及带隙宽度的变化规律。 将测得的数据总结分析,得出结论如下: (1)在简单的立方结构三维光子晶体和面心立方结构三维光子晶体中,当介电常数、占空比和介质形状发生变化时,能带结构中均不存在完全光子带隙。 (2)在金刚石结构三维光子晶体中,当介质形状为球体、立方体和六边体时,能带结构中存在完全光子带隙。完全光子带隙的出现对介电常数(或占空比)有最小要求,只有达到这一要求时才存在完全光子带隙;存在最佳介电常数(或占空比),其对应的完全光子带隙宽度最大;随着介电常数(或占空比)的增加,完全光子带隙宽度呈现出先增大后减小的趋势。 (3)在方柱堆积结构三维光子晶体中,存在完全光子带隙,且在存在完全光子带隙的能带结构中,完全光子带隙数均为1。完全光子带隙的出现对介电常数(或方柱宽度)有最小要求,只有达到这一要求时才存在完全光子带隙;存在最佳介电常数(或方柱宽度),其对应的完全光子带隙宽度最大;随着介电常数(或方柱宽度)的增加,完全光子带隙宽度呈现出先增大后减小的趋势,完全光子带隙所占的频率范围逐渐减小。

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