光子晶體是由兩種或兩種以上不同介電常數(shù)的介質(zhì)在空間上呈周期性分布的新型人造合成材料。它主要的兩個特點(diǎn)是存在局域特性和光子帶隙,這使得它在現(xiàn)在和未來的科技領(lǐng)域中有著較高的理論研究價(jià)值和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。近些年,計(jì)算機(jī)性能的大幅度提升為復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理提供了方法,計(jì)算電磁學(xué)理論中各種新型的數(shù)值方法層出不窮。在光子晶體的傳輸特性研究過程中,傳統(tǒng)時(shí)域有限差分法（Finite-Difference Time-domian,FDTD）的計(jì)算精度低,色散誤差大。針對這一現(xiàn)象,本文首次將辛?xí)r域多分辨率（Symplectic Multi-Resolution Time-Domain,S-MRTD）方法引用到光子晶體的數(shù)值模擬計(jì)算中。辛?xí)r域多分辨率算法在時(shí)間上和空間上分別引入了辛積分技術(shù)和小波尺度函數(shù)差分近似,在長期的電磁仿真中不僅在時(shí)間上保持了麥克斯韋方程的內(nèi)部辛結(jié)構(gòu),還在空間上提高了數(shù)值計(jì)算精度,減少了數(shù)值色散誤差等。文章主要是對辛?xí)r域多分辨算法的辛算子進(jìn)行了優(yōu)化選擇,在此基礎(chǔ)上將優(yōu)化的辛?xí)r域多分辨率法引入到光子晶體中,分析和討論光子晶體的透射譜和禁帶范圍。針對優(yōu)化辛?xí)r域多分辨率法研究光子晶體的傳輸特... 

【文章來源】：安徽大學(xué)安徽省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：77 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

光子晶體空間結(jié)構(gòu)圖

安徽大學(xué)碩士學(xué)位論文7便形成了二維光子晶體結(jié)構(gòu)。三維光子晶體是指不同介電常數(shù)的介質(zhì)在三維空間的每個方向上都有光子帶隙特性的周期性排列結(jié)構(gòu)。三維光子晶體結(jié)構(gòu)的制作是一個非常大的挑戰(zhàn)，直至1991年貝爾實(shí)驗(yàn)室的美國科學(xué)家E.Yablonovicth才利用離子束蝕刻技術(shù)獲得了第一個具有完全光子禁帶的三維光子晶體結(jié)構(gòu)，他是采用大量的面心立方體組成的三維周期性空間結(jié)構(gòu)(也稱之為鉆石結(jié)構(gòu))，其制作示意圖如下圖2.4所示。圖2.4E.Yablonovicth制作的光子晶體示意圖其中每個孔都會在三個方向上打孔，且每個方向相隔120°與中間法線的夾角為35°左右。2.1.2光子晶體特性（1）光子禁帶。光子禁帶是光子晶體的一個最基本的性質(zhì)[16]。光子禁帶是指電磁波(光波)無法在光子晶體的某一固定頻率范圍內(nèi)自由傳播。之所以會出現(xiàn)光子禁帶是因?yàn)椴祭裱苌鋵⒐獠ǖ姆较蚱D(zhuǎn)了，使周期性變化的折射率起到了衍射光柵的作用，從而導(dǎo)致光子禁帶。光子禁帶可以根據(jù)空間方向分為以下兩種具體形式：一種是不完全禁帶，不完全禁帶是指光波在光子晶體材料中的某一特定方向上存在禁帶；另一種是完全禁帶，完全禁帶是指所有方向上都出現(xiàn)帶隙且各方向上的禁帶還能夠互相疊加。通常的說，光子晶體禁帶范圍與介質(zhì)比、填充比、介質(zhì)柱形狀、中心波長等一些參數(shù)有關(guān)，其具體的影響本文會在后面給出具體的驗(yàn)證。（2）光子局域性。光子晶體另外一種特別值得注意的性質(zhì)是存在局域特性。S.John

第二章光子晶體8曾在無序介電材料中發(fā)現(xiàn)了光子局域的存在[17]。首先當(dāng)光子晶體結(jié)構(gòu)完好無損時(shí)，則在介質(zhì)材料頻率范圍內(nèi)的光可以傳播而在此范圍外的光將衰減消失。如果光子晶體的完整性（周期性和對稱性）遭到破壞(對于一維來說加入單層不同介電常數(shù)的介質(zhì)板或出現(xiàn)一層或多層的缺陷態(tài)等)時(shí)，則符合該缺陷層頻率波段的光將被禁錮在缺陷位置處，當(dāng)光波偏離缺陷范圍時(shí)將快速衰弱直至消失。我們可以利用點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷等人工的創(chuàng)造光子局域。利用點(diǎn)缺陷能創(chuàng)造出光子晶體微腔、線缺陷能夠制作出光子晶體波導(dǎo)、將光波局限在缺陷面上則能應(yīng)用到反射鏡上等。（3）偏振特性。在一維、二維的光子晶體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)入射電場(TE或TM偏振模式的光)方位角有差別時(shí)，則其就會有不一樣的帶隙結(jié)構(gòu)。一維光子晶體可以出現(xiàn)一些特殊的現(xiàn)象：超折射現(xiàn)象、負(fù)折射現(xiàn)象、分光效應(yīng)等，二維光子晶體可以制作光子晶體偏振片[18]。2.2光子晶體制備方法在自然界中人們發(fā)現(xiàn)了一些和光子晶體排布形式相似的微結(jié)構(gòu)，如某些蝴蝶的翅膀、蛋白石微結(jié)構(gòu)等，如下圖2.5和圖2.6所示。圖2.5蝴蝶翅膀的微結(jié)構(gòu)圖圖2.6蛋白石的微結(jié)構(gòu)圖但是這些自然界的微結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的來說并不是完全帶隙結(jié)構(gòu)，制作具有完全禁帶的光子晶體是一個巨大挑戰(zhàn)。從上世紀(jì)90年代開始，隨著科技的進(jìn)步科學(xué)家們逐漸從微波段的光子晶體到后來的紅外波段直至現(xiàn)在可以制作出光學(xué)波段的光子晶體，下面就討論下主要的幾種制作方法。2.2.1機(jī)械精密加工法機(jī)械精密加工法，又稱為打孔法。由于機(jī)械加工法的精確度只能達(dá)到厘米至毫米之

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]入射角和雜質(zhì)吸收對一維光子晶體反射鏡的影響[J]. 邢曉,王文軍,李淑紅,劉云龍,張棟,史強(qiáng),高學(xué)喜,張丙元.  激光與紅外. 2013(06)
[2]基于傳播子技術(shù)的辛?xí)r域多分辨率方法[J]. 衛(wèi)敏,吳先良,黃志祥,廖素引,王輝.  電子學(xué)報(bào). 2012(05)
[3]光子晶體的發(fā)展歷程與前景[J]. 張明理,李永安,賀毅.  延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2009(03)
[4]二維光子晶體的龍格庫塔多分辨分析[J]. 曾淵,王少波,許家棟.  量子光學(xué)學(xué)報(bào). 2009(01)
[5]辛FDTD算法[J]. 黃志祥,沙威,吳先良,陳明生,況曉靜.  系統(tǒng)工程與電子技術(shù). 2009(02)
[6]基于Daubechies小波的MRTD在電磁散射中的應(yīng)用[J]. 姜宇,于少鵬,高紅友.  光學(xué)精密工程. 2008(10)
[7]光子晶體的制備方法與應(yīng)用[J]. 艾桃桃.  激光與紅外. 2008(07)
[8]二維光子晶體耦合腔陣列的慢波效應(yīng)研究[J]. 杜曉宇,鄭婉華,任剛,王科,邢名欣,陳良惠.  物理學(xué)報(bào). 2008(01)
[9]一維鐵磁材料光子晶體的光學(xué)傳輸特性[J]. 蘇希玉,高艷,王海鋒.  量子光學(xué)學(xué)報(bào). 2007(02)
[10]MRTD算法在一維PBG結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]. 代少玉,吳振森.  電波科學(xué)學(xué)報(bào). 2006(05)

博士論文
[1]辛?xí)r域多分辨率算法理論與應(yīng)用研究[D]. 衛(wèi)敏.安徽大學(xué) 2013

碩士論文
[1]一維光子晶體的帶隙特性研究[D]. 王玉玲.廣西大學(xué) 2007



本文編號：3320613