三維寬帶隙陶瓷光子晶體設(shè)計制造及其負折射特性研究.pdf

1、三維光子晶體是一種通過適當設(shè)計可以控制電磁波傳輸?shù)娜斯ぶ芷诮Y(jié)構(gòu)。它因具有光子禁帶和負折射特性而使其研究具有重大的科學意義和廣泛的軍事應用價值。光子晶體的結(jié)構(gòu)/材料/外形的多樣性和復雜性，使得其制造成為一項巨大的挑戰(zhàn)。三維復雜結(jié)構(gòu)光子晶體制造更是成為其發(fā)展的瓶頸。同時，由于缺乏有效的制造技術(shù)支持，光子晶體理論上計算的許多新的性能難以得已實現(xiàn)。本文以光固化快速成型技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合凝膠注模工藝，實現(xiàn)了多陶瓷復雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造，為推動復雜結(jié)

2、構(gòu)光子晶體制造技術(shù)與理論研究相結(jié)合，探索光子晶體的新性能提供了一種新方法。
　　本文提出并設(shè)計了變半徑組合金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體和多介質(zhì)耦合光子晶體。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)變半徑組合光子晶體和多介質(zhì)耦合光子晶體能夠顯著增加光子晶體帶隙寬度，實現(xiàn)寬帶隙性能。研究了多區(qū)域分步填充陶瓷漿料實現(xiàn)多介質(zhì)耦合復雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件的快速制造工藝，發(fā)現(xiàn)通過顆粒級配使陶瓷漿料的固相含量達到60 vol.％時仍具有較好地流動性，采用冷凍干燥工藝使陶瓷零件的干燥收縮

3、率控制在1%以內(nèi)，燒結(jié)收縮率控制在3%左右。通過光固化成型結(jié)合多步凝膠注模工藝實現(xiàn)了多介質(zhì)耦合復雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造，為光子晶體性能研究提供了有力地制造技術(shù)保證。
　　研究了變半徑、多介質(zhì)耦合和多固相含量陶瓷耦合對金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體帶隙性能的影響規(guī)律。實驗研究發(fā)現(xiàn)：通過直接打破光子晶體結(jié)構(gòu)分布或介質(zhì)分布的均勻性，可有效拓寬其帶隙寬度，實現(xiàn)光子晶體的寬帶隙性能。對于變半徑光子晶體，隨著空氣球半徑減小率的增加，帶隙寬度明顯增大，最大帶寬

4、可達到完美光子晶體帶寬的234%，帶隙的中心頻率向高頻偏移。通過制造多種陶瓷耦合或多固相含量同種陶瓷耦合光子晶體結(jié)構(gòu)，控制其中一種陶瓷的種類或固相含量變化，也可以拓寬光子晶體的帶寬，實現(xiàn)其帶隙性能的可控性。變半徑組合結(jié)構(gòu)、多介質(zhì)耦合以及多固相含量陶瓷耦合光子晶體結(jié)構(gòu)的制造為拓寬光子晶體帶寬，實現(xiàn)其帶隙的可控性能提供了新途徑。研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、陶瓷固相含量及收縮率對光子晶體性能的影響規(guī)律，建立了材料性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)與光子晶體帶隙中心頻率關(guān)

5、系的經(jīng)驗公式。
　　研究了材料性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)對光子晶體負折射性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：隨著介電常數(shù)的增加，發(fā)生負折射的中心頻率向低頻偏移，頻率寬度逐漸減?。浑S著圓柱半徑變化率的增加，負折射發(fā)生的頻帶中心頻率向低頻偏移，頻帶寬度逐漸增加；隨著晶格周期變化率的增大，發(fā)生負折射的頻帶中心頻率基本恒定，頻帶寬度逐漸減??；研究了三種微結(jié)構(gòu)形狀的光子晶體負折射性能，發(fā)現(xiàn)負折射的中心頻率變化范圍很小。正方形微結(jié)構(gòu)頻率寬度最大，其值為0.96GH