光波在光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的反常傳輸特性.pdf

1、自從1987年，光子晶體(Photoniccrystals，簡稱PCs)這種由不同折射率材料組成的周期性結(jié)構(gòu)被Yablonovitch和John提出。由于這種光子帶隙材料可以操縱電磁波傳播，迅速成為了人們研究的熱點，1998年年底，美國《Science》雜志預測光子晶體將成為對人類產(chǎn)生重大影響的六大研究方向之一。在傳統(tǒng)的光子晶體中，由于其晶格常數(shù)和入射波波長相近，布拉格散射機制起著很重要的作用，因而形成的光子帶隙也被叫做布拉格帶隙。而由

2、特異材料組成的光子晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)可以遠小于波長，此時，局域共振機制起主導作用。這種亞波長周期結(jié)構(gòu)，其介電常數(shù)和磁導率可以同時為負值，或者其中之一為負值，具有很多新奇的性能，如負折射率，逆多普勒效應(yīng)，完美成像等。在特異材料中，由于在等離子體頻率以下，金屬是一種典型的負介電常數(shù)材料，或者說是電單負材料，一直是光子晶體領(lǐng)域的研究熱點，特別是特異材料被提出以后，研究人員發(fā)現(xiàn)含有金屬的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)超鏡、亞波長成像和隱形等，并且由于很多金屬具

3、有比典型介質(zhì)材料高得多的吸收系數(shù)，因此對含有單負材料特別是金屬的光子晶體的研究具有重要的意義。
　　本論文采用傳輸矩陣方法，主要研究了介質(zhì)材料、金屬材料及其復合周期結(jié)構(gòu)的光學性質(zhì)。
　　論文的第二章，我們主要研究了含有缺陷的光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的窄帶濾波。中心含有缺陷的對稱型光子晶體可以在其禁帶中形成一個缺陷模，缺陷模的波長隨缺陷的厚度發(fā)生移動，但是其透過率保持不變，始終等于1。但是由于通常的介質(zhì)材料的折射率不會很大，因此這種結(jié)

4、構(gòu)的禁帶的波長范圍比較窄。而如果將兩種不同的光子晶體組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且選擇使兩種不同光子晶體的禁帶區(qū)域重疊，則異質(zhì)結(jié)構(gòu)的禁帶的波長范圍會被加寬，若組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)合適，可以在兩種不同光子晶體的交界面出現(xiàn)一種界面模，界面模的波長位于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬禁帶中，但是一般不容易使界面模的透過率達到1。本文的研究表明，在兩種不同光子晶體中間插入一層缺陷，這種結(jié)構(gòu)的寬禁帶中會形成一個類缺陷模，改變?nèi)毕莸暮穸龋惾毕菽５牟ㄩL會發(fā)生偏移，如果缺陷層的厚度合適，

5、其透過率可以達到1。進一步，我們利用電子束蒸發(fā)工藝進行了相關(guān)的實驗樣品制備，光學實驗測量結(jié)果與理論模擬的符合很好。這種結(jié)構(gòu)制作比較簡單，將可以應(yīng)用于高品質(zhì)的高透射型窄帶濾波器。
　　論文的第三章討論了含有ITO的有限光子晶體和金屬膜組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的多重窄帶完全吸收和寬帶完全吸收特性。ITO是一種n型半導體，由于其載流子濃度濃度很高，使得它具有類似于金屬的的光學特性，由ITO和透明介質(zhì)組成的光子晶體可以實現(xiàn)多重增強吸收和寬帶增強吸收

6、，但不容易實現(xiàn)完全吸收。理論研究表明，如果將含ITO的光子晶體與厚金屬膜組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，由于多個波長甚至寬頻帶光波的電磁場在ITO中的局域強度可被大大增強，因此可以實現(xiàn)多重窄帶和寬帶近完全吸收。這樣的結(jié)構(gòu)可以用來制備新型光吸收器。
　　論文的第四章分為兩部分，第一部分主要研究了光波在金屬與有限光子晶體組成的異質(zhì)和三明治結(jié)構(gòu)的光學特性。Tammplasmonpolaritions(TPPs)是在由厚金屬膜與有限全介質(zhì)光子晶體組成的異質(zhì)

7、結(jié)構(gòu)中被發(fā)現(xiàn)，其頻率落在光子晶體的帶隙內(nèi)，不同于傳統(tǒng)的金屬-介質(zhì)光子晶體中的光波傳輸特性，TPPs對應(yīng)頻率的光波的電磁場局域在厚金屬膜與有限全介質(zhì)光子晶體的交界而上，因此導致光波在金屬中有很強的局域電磁場，特別是金屬越厚，光子晶體中基本單元的個數(shù)也必須隨之增加才更容易激發(fā)TPPs，而這種情況下，金屬內(nèi)的電磁場局域強度就越強，因此利用TPPs的隧穿特性，可以更容易實現(xiàn)金屬對光波的增強吸收，特別是完全吸收，由于金屬內(nèi)的強電磁場局域，這種結(jié)構(gòu)

8、的光學非線性效應(yīng)會更強。我們在理論和實驗上同時研究了厚金屬膜與有限全介質(zhì)光子晶體組成的異質(zhì)和三明治結(jié)構(gòu)的光學特性，研究發(fā)現(xiàn)，利用TPPs，由厚金屬膜與有限全介質(zhì)光子晶體組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)窄帶光波的單向完全吸收;而由厚金屬膜與有限全介質(zhì)光子晶體組成的三明治結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)光波的窄帶增強透射，在兩種偏振狀態(tài)的光波斜入射，發(fā)現(xiàn)對于TE波，窄帶光波發(fā)生了簡并分裂，這是由于金屬的前后兩個界面上形成的兩個TPPs之間發(fā)生了相互作用，也表明了TE波的

9、大角度入射條件下，TPPs在金屬的前后兩個界而上的電磁場局域更強，兩類結(jié)構(gòu)的理論和實驗結(jié)果符合很好。TPPs的這些不同于傳統(tǒng)SPPs的新的光學特性將使其具有更重要的應(yīng)用前景。
　　本章第二部分，在理論上研究了光波在由高吸收金屬膜和含缺陷的有限光子晶體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的多重反射特性。含有缺陷的非對稱光子晶體中仍然存在缺陷模，如果缺陷兩邊的多層膜結(jié)構(gòu)差異很大，缺陷模的透過率會趨于零，但是缺陷層內(nèi)仍然會有強的電磁場局域，這種局域特性與對

10、稱光子晶體的缺陷層內(nèi)的電磁場局域特性是類似的，即距離缺陷越遠的膜層內(nèi)，電磁場局域強度越弱。已有的研究表明，通常的單層高損耗金屬膜，由于光波很難進入其內(nèi)部，因此單層高損耗金屬膜內(nèi)的電磁場局域是很小的，所以單層高損耗金屬膜對光波的吸收是比較弱的。如果將一層介質(zhì)保護膜、一層高損耗金屬膜及一個含缺陷的非對稱光子晶體組成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)，缺陷模頻率的光波在缺陷層仍然具有強的電磁場局域，而在金屬內(nèi)的局域強度非常小，導致缺陷模頻率的光波仍然被幾乎全