光子晶體等效介質(zhì)描述的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、光子晶體和特異材料是兩類不同類型的人工微結(jié)構(gòu),這兩類材料對(duì)電磁波有許多自然材料所不具備的調(diào)控作用。其中,特異材料是一類局域共振機(jī)制的亞波長結(jié)構(gòu)。包括兩種,一種是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都小于零的雙負(fù)材料,又被稱作左手材料；另外一種是介電常數(shù)和磁導(dǎo)率其中一個(gè)小于零的單負(fù)材料。單負(fù)材料又可以分為負(fù)介電常數(shù)材料(介電常數(shù)小于零同時(shí)磁導(dǎo)率大于零)和負(fù)磁導(dǎo)率材料(磁導(dǎo)率小于零同時(shí)介電常數(shù)大于零)。雙負(fù)材料具有許多奇異的物理性質(zhì),比如雙負(fù)材料和雙正材料的界

2、面可以發(fā)生負(fù)折射,雙負(fù)材料可以構(gòu)成亞波長平板‘完美透鏡’等等。單負(fù)材料對(duì)電磁波不透明,只支持迅衰波,但是負(fù)磁導(dǎo)率材料和負(fù)介電常數(shù)材料的匹配對(duì)可以通過光隧穿效應(yīng)而完全透明。介質(zhì)光子晶體是一類基于Bragg散射機(jī)制的人工微結(jié)構(gòu),光子晶體帶隙對(duì)電磁波也是不透明的且僅支持迅衰波,從整體上看,光子晶體帶隙對(duì)電磁波的調(diào)控與一個(gè)單負(fù)材料的行為非常類似。因此有必要從整體上研究光子晶體帶隙的等效參數(shù),研究光子晶體帶隙是否能等效為單負(fù)材料,以及等效為何種單

3、負(fù)材料。 研究發(fā)現(xiàn),光子晶體與均勻材料或者其他光子晶體可以形成位于光子晶體帶隙處的光子隧穿界面模式,這類界面模式又被稱為光學(xué)Tamm態(tài)。由于這類結(jié)構(gòu)有利于極化激光的產(chǎn)生而受到研究者廣泛關(guān)注。在這類異質(zhì)結(jié)中,光子晶體帶隙也顯示出類似單負(fù)材料的性質(zhì)。但是,沒有研究者給出光子晶體帶隙在中的等效參數(shù),目前也沒有給出如何準(zhǔn)確設(shè)計(jì)實(shí)際的光學(xué)Tamm態(tài)的方法。本文中,我們利用標(biāo)準(zhǔn)的等效參數(shù)提取方法研究了光子晶體帶隙的性質(zhì),結(jié)果表明光子晶體帶隙

4、確實(shí)具有負(fù)的等效介電常數(shù)或者負(fù)的等效磁導(dǎo)率?；诘刃Ы橘|(zhì)理論,給出了設(shè)計(jì)光學(xué)Tamm態(tài)的有效方法,并且第一次用微帶線在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了光學(xué)Tamm態(tài)。 在論文第二章,我們利用傳輸矩陣并結(jié)合參數(shù)提取方法,得到了介質(zhì)光子晶體的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率,同時(shí)也得到了其等效折射率和等效阻抗。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于一般的非對(duì)稱單元組成的光子晶體,其帶隙等效參數(shù)分裂為兩部分,一部分具有負(fù)的等效介電常數(shù)和正的磁導(dǎo)率,另一部分具有負(fù)的磁導(dǎo)率和正的介電常數(shù)。

5、若是對(duì)稱單元組成的光子晶體,其帶隙總是一個(gè)相當(dāng)于負(fù)磁導(dǎo)率材料特性,下一個(gè)帶隙相當(dāng)于負(fù)介電常數(shù)材料性質(zhì),并且交替出現(xiàn)。我們還發(fā)現(xiàn),這些等效參數(shù)敏感地依賴于光子晶體的界面截?cái)喾绞?。其?給出的光子晶體通帶的折射率和阻抗表明,發(fā)生負(fù)折射時(shí),光子晶體和空氣并不匹配,因此有不少能量被反射掉。光子晶體等效阻抗可以幫助找到合適的背景環(huán)境,減少反射,提高成像質(zhì)量。由此,也提供了一種修正光子晶體透射帶形狀的方法。在論文第三章,我們研究了光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)

6、生的隧穿界面模,因與固體物理中的電子Tamm態(tài)形成條件相似,這類模式稱作光學(xué)Tamm態(tài)。我們分別考慮了三種情況的異質(zhì)結(jié)：光子晶體和負(fù)介電常數(shù)材料、與負(fù)磁導(dǎo)率材料以及與另外一個(gè)光子晶體。我們第一次提出了利用虛阻抗匹配和虛相移匹配來理解和設(shè)計(jì)這類隧穿模。計(jì)算表明,雖然構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)某個(gè)特定頻率是不透明的,在滿足匹配條件的情況下,異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生了接近完全透射的透射峰。由此說明了,該類界面模式和特異材料中的兩種單負(fù)匹配對(duì)形成的隧穿模具有

7、相似的機(jī)制,這為設(shè)計(jì)光學(xué)Tamm態(tài)提供了簡便有效的方法。場(chǎng)強(qiáng)分布顯示,在單獨(dú)結(jié)構(gòu)中的存在的迅衰場(chǎng)得到了放大,從結(jié)構(gòu)兩邊向異質(zhì)結(jié)界面指數(shù)增長,大部分能量集中于異質(zhì)結(jié)界面附近。除了上面介紹的一維光子晶體,我們還設(shè)計(jì)了二維光子晶體,同樣觀察到了匹配條件決定的界面模。 在第四章,設(shè)計(jì)了微帶線光子晶體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。單負(fù)帶隙由加載集總電容電感的傳輸線來實(shí)現(xiàn),通過在微帶線上表面制作周期的方環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)造普通光子晶體帶隙。我們制作了三種類型的異質(zhì)