蝴蝶五彩斑斕的翅膀,孔雀絢麗奪目的尾翎,甲殼蟲深邃幽藍(lán)的外殼,潛藏在這些神奇生物色彩背后的自然奧秘是光子晶體獨(dú)特的物理性質(zhì)。光子晶體是由不同折射率的材料在空間上周期排列而成的人工微結(jié)構(gòu),它的出現(xiàn)為在波長尺度上操控光傳輸以及光與物質(zhì)的相互作用提供了強(qiáng)大而有效的手段。光子晶體具有眾多獨(dú)特的物理效應(yīng),例如光子禁帶、光子局域、自準(zhǔn)直效應(yīng)、超棱鏡效應(yīng)、負(fù)折射效應(yīng)、慢光效應(yīng)、拓?fù)涔庾討B(tài)等。光子晶體的概念和設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被廣泛用于開發(fā)微型化、高性能、高集成度的微納光子器件,并將應(yīng)用于構(gòu)建功能特異的新型光學(xué)材料和設(shè)計(jì)下一代光子技術(shù)器件,最終實(shí)現(xiàn)高密度、大規(guī)模的光子器件集成。光子晶體研究涉及眾多領(lǐng)域,本文主要研究光子晶體中的拓?fù)涔庾討B(tài)與負(fù)折射傳輸現(xiàn)象。我們研究了兩個(gè)沿相反方向傳輸?shù)耐負(fù)涔庾討B(tài)之間的相互作用,獲得了寬帶連續(xù)可調(diào)的零群速度色散新型慢光態(tài)。此外,還研究了外加飽和電場對液晶光子晶體能帶及等頻線結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)現(xiàn)了寬角度電控連續(xù)光束掃描器件。具體研究內(nèi)容如下:1.反向傳輸?shù)耐負(fù)涔庾討B(tài)間強(qiáng)烈相互作用的新型慢光效應(yīng)研究。我們將兩塊分別支持左向和右向拓?fù)涔庾討B(tài)的正方晶格磁光光子晶體相互靠近,構(gòu)建具有一定寬度的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以研究拓?fù)涔庾討B(tài)之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)波導(dǎo)寬度可以得到形狀各異的凹型、平型以及凸型耦合能帶,從而分析了耦合能帶翻轉(zhuǎn)的物理機(jī)制;通過深入分析平型能帶(以下簡稱平帶)結(jié)構(gòu)的本征場分布,揭示了拓?fù)涔庾討B(tài)反向耦合機(jī)制;進(jìn)一步調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度以探究平帶結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,分別計(jì)算了不同平帶結(jié)構(gòu)的群速度和群速度色散以分析其慢光特性;最終通過本征模場分布匹配法驗(yàn)證慢光態(tài)的零群速度色散特性。我們得出結(jié)論:當(dāng)兩塊磁光光子晶體相互靠近時(shí),反向傳輸?shù)耐負(fù)涔庾討B(tài)間會發(fā)生耦合。隨著波導(dǎo)寬度減小,耦合強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。當(dāng)波導(dǎo)寬度為半個(gè)晶格常數(shù)時(shí),兩個(gè)反向傳輸?shù)耐負(fù)涔庾討B(tài)間發(fā)生完全的能量交換與傳遞,進(jìn)而產(chǎn)生耦合平帶結(jié)構(gòu)。該平帶結(jié)構(gòu)不但擁有零群速度色散(GVD=0)的慢光態(tài)(ng=529.2),而且還能通過調(diào)節(jié)外部磁場強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)對該慢光態(tài)位置的寬帶調(diào)控【可調(diào)范圍為0.465～0.567(2πc/a),其相對帶寬高達(dá)19.8%】,利用這一特性可以對特定慢光態(tài)的群速度進(jìn)行調(diào)控。這種基于拓?fù)涔庾討B(tài)反向強(qiáng)耦合效應(yīng)的零群速度色散慢光波導(dǎo),同時(shí)解決了傳統(tǒng)非磁光子晶體慢光波導(dǎo)中慢光與窄帶之間的矛盾以及慢光與高群速度色散的矛盾。2.可調(diào)液晶光子晶體的連續(xù)掃描器件設(shè)計(jì)研究。我們在按正方晶格周期排列的硅柱陣列中填充向列型5CB液晶以構(gòu)建液晶光子晶體結(jié)構(gòu)。探究施加面內(nèi)飽和電場對液晶光子晶體能帶及等頻線結(jié)構(gòu)的影響,并與未施加電場時(shí)的情況進(jìn)行比較。我們通過調(diào)節(jié)面內(nèi)飽和電場方向,研究其施加方向?qū)Φ阮l線結(jié)構(gòu)的形狀的影響及形變的規(guī)律,進(jìn)一步研究了可調(diào)負(fù)折射效應(yīng),并設(shè)計(jì)了一種連續(xù)可調(diào)光束偏轉(zhuǎn)器。具體結(jié)論如下:施加450V/m的面內(nèi)飽和電場將使得液晶材料產(chǎn)生具有各向異性的介電張量,導(dǎo)致液晶光子晶體第二、第三能帶在第一布里淵區(qū)高對稱點(diǎn)M點(diǎn)處的簡并態(tài)被打破,能帶發(fā)生上下分離,沿ΓM方向產(chǎn)生單模能帶【頻段0.3105～0.3245(2πc/a)】。此外,各向異性介電張量的產(chǎn)生也打破了等頻線結(jié)構(gòu)關(guān)于布里淵區(qū)對稱中心r點(diǎn)的對稱性,使得沿ΓM方向入射的光束在該單模能帶中能夠激發(fā)液晶光子晶體內(nèi)的負(fù)折射傳輸模式。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)面內(nèi)飽和電場的方向可導(dǎo)致等頻線結(jié)構(gòu)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)變形。值得指出的是,在ΓM方向附近區(qū)域的等頻線曲率變化非常大,這一特點(diǎn)可導(dǎo)致光束折射角的顯著變化,以此設(shè)計(jì)了一種可在±38°范圍內(nèi)連續(xù)掃描的電控光束偏轉(zhuǎn)器件。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O734
【部分圖文】：

１．１．１光子晶體基本特性與應(yīng)用??光手聶體的概念類似予固體物理中晶體的概念，它們同樣都具有空間周期結(jié)構(gòu)，根??據(jù)維度數(shù)目，可以分為一維、二維和三維光子晶體，如圖１－１所示ｐ??ｍｍｍ??（ａ）｜１維光子最體?（ｂ）?一維光予晶體?（ｃ）＝維光子晶體??圖１－１不同維度光子晶體模型９??固體物理中表征晶體的基本概念也可以借用到光子晶體中，例如晶格、Ｓ格子、倒??格子以及布洛赫周期函數(shù)等。但就物理機(jī)制而言》光子晶體與普通晶體有本質(zhì)上的區(qū)別：??２??

１．１．１光子晶體基本特性與應(yīng)用??光手聶體的概念類似予固體物理中晶體的概念，它們同樣都具有空間周期結(jié)構(gòu)，根??據(jù)維度數(shù)目，可以分為一維、二維和三維光子晶體，如圖１－１所示ｐ??ｍｍｍ??（ａ）｜１維光子最體?（ｂ）?一維光予晶體?（ｃ）＝維光子晶體??圖１－１不同維度光子晶體模型９??固體物理中表征晶體的基本概念也可以借用到光子晶體中，例如晶格、Ｓ格子、倒??格子以及布洛赫周期函數(shù)等。但就物理機(jī)制而言》光子晶體與普通晶體有本質(zhì)上的區(qū)別：??２??

圖１－３?（ａ）零色散光纖波導(dǎo)［５６］，（ｂ）可調(diào)光聚焦現(xiàn)象［５９］。??１．１．３光子晶體慢光效應(yīng)??自從人們發(fā)現(xiàn)光在水、玻璃等介質(zhì)中的傳播速度低于光在真空：中的傳播速度開始，??便對慢光研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，時(shí)至今日．，慢光仍是非常熱門的前沿課題。＇當(dāng)光被減??速，甚至是被停止，都將引起許多有趣的物理現(xiàn)象，并能夠在光延遲線、光緩沖器、光??存儲器以及增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用等領(lǐng)域發(fā)揮作用。１９９９年，Ｈａｕ等人［６Ｑ］利用電磁感應(yīng)??透明技術(shù)，在４５０ｎＫ超低溫的超冷原子屮實(shí)現(xiàn)了?１７ｍ／ｓ的極慢光速。２００４年，拿蕰東??研究小組［６１琍用相千布居振蕩產(chǎn)生的光譜燒孔現(xiàn)象，在室溫紅寶石晶體中實(shí)現(xiàn)了?４３ｍ／ｓ??的慢光。２００５年，Ｓｏｎｇ等人＿利用受激布里淵散射使１００ｎｓ的光脈沖在光纖傳輸過程??中延遲到３０ｎｓ。后來人們發(fā)現(xiàn)，脈沖在具有材料色散的介質(zhì)中傳播時(shí)，由子被包中各個(gè)??頻率分暈拍傳播速度是不同的，導(dǎo)致脈沖在傳輸過程嚴(yán)重失真＆也就是說，僅僅只是減??
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本文編號：2870326