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基于光子晶体的低通空间滤波器研究

【摘要】: 在高功率激光系统中,空间滤波器是一个非常重要的光学器件。传统的空间滤波器采用4F空间滤波系统,它体积庞大、不能近场滤波且工作在真空环境。光子晶体空间滤波器是一种非聚焦、非真空工作、.即插即用的新型空间滤波器,能够有效克服4F空间滤波系统的不足。本文首先阐述了光子晶体的研究现状,介绍了光子晶体理论研究中的数值计算方法并提出一种基于时域有限差分法计算角度透射谱的新方法,然后基于光子晶体中的异常折射现象,对光子晶体低通空间滤波器的设计展开研究。论文的主要内容如下: 第一,通过构造具有光疏性质的光子晶体实现低通空间滤波。以二维三角晶格光子晶体为例,通过合理设计其结构和材料,构造了绝对等效折射率小于1的介质,用数值计算的方法模拟了其低通滤波性能。研究结果表明光子晶体中等效折射率小于1的正折射率频带很少见,通常发生在高阶导带并具有很强的各向异性;等效折射率大于-1的负折射率频带很容易设计,能够实现很好的低通空间滤波功能。 第二,光子晶体中的自准直效应是设计低通空间滤波器的又一个途径。采用二维正方晶格光子晶体为研究对象,总结了基于自准直效应设计低通空间滤波器的原则,并模拟验证了其空间滤波性能。理论分析和仿真结果表明,光波的低频空间分量可以高效地耦合到光子晶体的自准直模,而高频空间分量被全部反射,从而有效地滤除空间高频分量。 第三,研究了光子晶体空间滤波器的调控机制。以长方形介质柱组成的二维正方晶格光子晶体为例,分别研究了介电常数、介质填充比以及介质柱的旋转角度对其空间滤波性能的影响。研究表明,通过调控光子晶体的设计参数,可以有效控制空间滤波器的临界角,数值仿真的结果与理论分析非常吻合,这一结果对光子晶体空间滤波器的设计有重要的指导意义。

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