色散材料光子晶体和准晶体电磁特性研究
光子晶体和光子准晶体的电磁特性研究是当前科学研究领域中的一个热点。研究其电磁特性不仅在丰富物理学基本理论方面有重要意义，而且具有潜在应用价值，如：集成光路、激光技术、光电子学以及光学通信等。科研工作者不仅研究了常规材料光子晶体和准晶体，而且深入探索了色散介质（如：超材料、等离子体、超导体以及半导体等）构造的光子晶体和准晶体。 本文采用转移矩阵方法，研究了几类色散介质光子晶体和准晶体的电磁特性，关注其带隙，反射波的相位性质和滤波特性。主要研究内容和结果如下： （1）研究了一维负介电函数和负磁导率介质 Thue–Morse结构零有效相位带隙中TE波和TM波反射相位和反射相位差的性质。结果表明，在给定入射角的情况下在零有效相位带隙中TE波和TM波的反射相位差在较宽的频率范围内可以保持为常数。考虑了反射相位与负介电函数和负磁导率介质的厚度以及两种介质厚度缩放因子的关系。研究还发现，随着电磁波入射角的增加，两极化波的反射相位差可以连续从0增加到π（或连续从0减小到-π）。此外，具有稳定相位差的频率范围可以通过改变介电常数和磁导率而加以调节。 （2）研究了等离子体和负磁导率材料光子晶体的电磁特性。在微波波段内发现了一个极化无关全方位带隙。给出了该带隙中两极化波的反射相位和反射相位差。结果表明，在通带中，两极化波的反射相位变化急剧，而在带隙中，两极化波的反射相位变化平滑，且当入射角给定时在很宽的频率范围内反射相位差可以保持为一恒定值。随着等离子体层厚度的减小，带隙的宽度增加，同时，具有稳定相位差值的频率范围也展宽。考虑了等离子体频率，等离子体碰撞频率对带隙以及反射相位的影响。设计了一个微波宽带的四分之一波片。最后，在引入有效折射率后解释了上述现象。 （3）基于二流体模型，讨论了超导体-介质光子晶体在太赫兹频段内的电磁特性。研究了反射谱的特性，发现在太赫兹频段内存在一个极化无关的全方位带隙。计算了带隙中两极化波的反射相位和相位差的性质。结果表明，在带隙中存在两个宽频区域，其中反射相位差可以保持为稳定值。随着入射角的增加在低频区反射相位差可以从0连续变化到-π，而在高频区反射相位差则是从0连续变化到π。通过改变电介质层的厚度可以操控这些宽频区域的数目和移动。该结果提供了一个全新的实现太赫兹波段偏振器件的方式。 （4）研究了超导体-介质光子晶体在太赫兹频段的透射性质。结果表明，该周期结构可以实现可调的太赫兹多通道滤波。通道的数目可以通过结构的周期数加以调节。随着电介质厚度的增加，透射模式的位置出现了红移现象，而当超导体层的厚度增加时透射模式的位置则会出现蓝移现象。增加电介质层或超导体层的厚度可以提高该滤波器的品质因子。有趣地是，如果增加电介质层的介电常数，则会出现不止一个通带，且这些通带可以同时在不同范围内实现太赫兹滤波。考虑了超导体温度对滤波特性的影响。还考虑了超导体中正常传导电子带来的影响，发现，当温度超过0.5Tc且损耗项γ与入射波的频率数量级一致时，传导电子出现了很强的吸收效应。然而，当温度低于0.5Tc则传导电子对滤波特性没有影响。
光子晶体;色散材料;光子准晶体;电磁特性
华中科技大学
博士
光学
易林
2015
中文
O734
107
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）