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光波在光子晶体异质结构中的反常传输特性

【摘要】:自从1987年,光子晶体(Photonic crystals,简称PCs)这种由不同折射率材料组成的周期性结构被Yablonovitch和John提出。由于这种光子带隙材料可以操纵电磁波传播,迅速成为了人们研究的热点,1998年年底,美国《Science》杂志预测光子晶体将成为对人类产生重大影响的六大研究方向之一。在传统的光子晶体中,由于其晶格常数和入射波波长相近,布拉格散射机制起着很重要的作用,因而形成的光子带隙也被叫做布拉格带隙。而由特异材料组成的光子晶体结构,其晶格常数可以远小于波长,此时,局域共振机制起主导作用。这种亚波长周期结构,其介电常数和磁导率可以同时为负值,或者其中之一为负值,具有很多新奇的性能,如负折射率,逆多普勒效应,完美成像等。在特异材料中,由于在等离子体频率以下,金属是一种典型的负介电常数材料,或者说是电单负材料,一直是光子晶体领域的研究热点,特别是特异材料被提出以后,研究人员发现含有金属的结构可以实现超镜、亚波长成像和隐形等,并且由于很多金属具有比典型介质材料高得多的吸收系数,因此对含有单负材料特别是金属的光子晶体的研究具有重要的意义。 本论文采用传输矩阵方法,主要研究了介质材料、金属材料及其复合周期结构的光学性质。 论文的第二章,我们主要研究了含有缺陷的光子晶体异质结构的窄带滤波。中心含有缺陷的对称型光子晶体可以在其禁带中形成一个缺陷模,缺陷模的波长随缺陷的厚度发生移动,但是其透过率保持不变,‘始终等于1。但是由于通常的介质材料的折射率不会很大,因此这种结构的禁带的波长范围比较窄。而如果将两种不同的光子晶体组成异质结构,并且选择使两种不同光子晶体的禁带区域重叠,则异质结构的禁带的波长范围会被加宽,若组成的异质结构合适,可以在两种不同光子晶体的交界面出现一种界面模,界面模的波长位于异质结构的宽禁带中,但是一般不容易使界面模的透过率达到1。本文的研究表明,在两种不同光子晶体中间插入一层缺陷,这种结构的宽禁带中会形成一个类缺陷模,改变缺陷的厚度,类缺陷模的波长会发生偏移,如果缺陷层的厚度合适,其透过率可以达到1。进一步,我们利用电子束蒸发工艺进行了相关的实验样品制备,光学实验测量结果与理论模拟的符合很好。这种结构制作比较简单,将可以应用于高品质的高透射型窄带滤波器。 论文的第三章讨论了含有ITO的有限光子晶体和金属膜组成的异质结构的多重窄带完全吸收和宽带完全吸收特性。ITO是一种n型半导体,由于其载流子浓度浓度很高,使得它具有类似于金属的的光学特性,由ITO和透明介质组成的光子晶体可以实现多重增强吸收和宽带增强吸收,但不容易实现完全吸收。理论研究表明,如果将含ITO的光子晶体与厚金属膜组成异质结构,由于多个波长甚至宽频带光波的电磁场在ITO中的局域强度可被大大增强,因此可以实现多重窄带和宽带近完全吸收。这样的结构可以用来制备新型光吸收器。 论文的第四章分为两部分,第一部分主要研究了光波在金属与有限光子晶体组成的异质和三明治结构的光学特性。Tamm plasmon polaritions (TPPs)是在由厚金属膜与有限全介质光子晶体组成的异质结构中被发现,其频率落在光子晶体的带隙内,不同于传统的金属-介质光子晶体中的光波传输特性,TPPs对应频率的光波的电磁场局域在厚金属膜与有限全介质光子晶体的交界面上,因此导致光波在金属中有很强的局域电磁场,特别是金属越厚,光子晶体中基本单元的个数也必须随之增加才更容易激发TPPs,而这种情况下,金属内的电磁场局域强度就越强,因此利用TPPs的隧穿特性,可以更容易实现金属对光波的增强吸收,特别是完全吸收,由于金属内的强电磁场局域,这种结构的光学非线性效应会更强。我们在理论和实验上同时研究了厚金属膜与有限全介质光子晶体组成的异质和三明治结构的光学特性,研究发现,利用TPPs,由厚金属膜与有限全介质光子晶体组成的异质结构可以实现窄带光波的单向完全吸收;而由厚金属膜与有限全介质光子晶体组成的三明治结构可以实现光波的窄带增强透射,在两种偏振状态的光波斜入射,发现对于TE波,窄带光波发生了简并分裂,这是由于金属的前后两个界面上形成的两个TPPs之间发生了相互作用,也表明了TE波的大角度入射条件下,TPPs在金属的前后两个界面上的电磁场局域更强,两类结构的理论和实验结果符合很好。TPPs的这些不同于传统SPPs的新的光学特性将使其具有更重要的应用前景。 本章第二部分,在理论上研究了光波在由高吸收金属膜和含缺陷的有限光子晶体构成的异质结构中的多重反射特性。含有缺陷的非对称光子晶体中仍然存在缺陷模,如果缺陷两边的多层膜结构差异很大,缺陷模的透过率会趋于零,但是缺陷层内仍然会有强的电磁场局域,这种局域特性与对称光子晶体的缺陷层内的电磁场局域特性是类似的,即距离缺陷越远的膜层内,电磁场局域强度越弱。已有的研究表明,通常的单层高损耗金属膜,由于光波很难进入其内部,因此单层高损耗金属膜内的电磁场局域是很小的,所以单层高损耗金属膜对光波的吸收是比较弱的。如果将一层介质保护膜、一层高损耗金属膜及一个含缺陷的非对称光子晶体组成异质结构,我们发现,缺陷模频率的光波在缺陷层仍然具有强的电磁场局域,而在金属内的局域强度非常小,导致缺陷模频率的光波仍然被几乎全反射,而光子禁带范围中远离缺陷模频率的光波由于在金属膜内有较强的局域,而被高损耗金属膜几乎完全吸收,从而在光子禁带内实现缺陷模的近完全反射,如果非对称光子晶体中含有多个缺陷,则这种结构可以实现多重窄带近完全反射现象,因此这种结构可以用来制备新型的多重窄带近完全反射滤波器。

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