一维光子晶体的负折射及其聚焦特性研究
发布时间：2020-10-26 00:23
光子晶体是一种人工微结构,具有光子带隙和光子局域特性。基于此特性可以设计各种微纳光学器件,如:全方向反射器、全光二极管、滤波器、微腔激光器等。深入研究发现,光子晶体在一定条件下具有负折射特性,利用此特性可以实现亚波长聚焦和超分辨成像,在光学操纵、纳米光刻、光学数据存储、光学显微镜等领域具有广泛的应用前景。本论文基于一维光子晶体,在理论和数值上对其负折射及聚焦特性进行了相关研究。本论文主要研究成果包括:1、基于一维周期光子晶体,设计了一种验证其负折射效应的楔形棱镜模型。根据等频面法精确计算了一维周期光子晶体在特定波长下的等效折射率及根据Snell定律计算了其对应的折射角。探究了等效折射率和折射角与一维周期光子晶体第二能带波长的关系。采用有限元法分析了一维周期光子晶体楔形棱镜的折射角与第二能带波长的关系并与等频面法的计算结果进行了对比。2、基于一维Thue-Morse光子准晶,设计了一种验证其负折射效应的楔形棱镜模型。在Bragg条件下,研究了 一维Thue-Morse光子准晶的透射谱与Thue-Morse序列数的关系。在确定的序列数下,研究了其透射谱与中心波长的关系。在确定的中心波长下,研究了其透射谱与介质折射率的关系。对比了一维周期光子晶体的色散关系、透射谱和一维Thue-Morse光子准晶的透射谱,从中类比得到了一维Thue-Morse光子准晶的负折射带。采用有限元法分析了一维Thue-Morse光子准晶楔形棱镜的折射角。探究了折射角与其负折射带波长的关系。3、基于一维周期光子晶体,设计了可聚焦柱矢量光束(包括径向偏振光和角向偏振光)的一维光子晶体柱对称平凹透镜模型。在一维周期光子晶体第二能带的某一特定波长下,分析了柱对称平凹透镜对径向和角向偏振光的聚焦特性。4、基于一维Thue-Morse光子准晶,设计了可聚焦柱矢量光束的一维Thue-Morse光子准晶柱对称平凹透镜模型。在Bragg条件下,确定了一维Thue-Morse光子准晶柱对称平凹透镜的能带结构与聚焦波长的关系。分析了光子准晶柱对称平凹透镜在不同聚焦带对径向和角向偏振光的聚焦特性并与相同参数下的一维周期光子晶体柱对称平凹透镜的聚焦特性进行了对比。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734
【部分图文】：
?＿＿＿??图１．１光子晶体分类［１Ｇ］：?ａ）－维光子晶体；ｂ）二维光子晶体；ｃ）三维光子晶体??（１?ｙ?１１１?［－１１１１１Ｈ１１１１１１?ｌ（ｃ）ｌ?１１８１１Ｍ１１ＢＩＨ１??－?：：?ｆ?．．?；?－?＇?：－ｌ??ＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡｄ?ａｂｂａｂａａｂｂａａｂａｂｂａ?ａｂａａｂａｂａａｂａａｂａｅａａｂａｂａ??．．??Ｈ１１Ｕ１１?ｎ?Ｈ?ＨＵ?１?Ｉｒｌ?１１１１１１１１：１?ｉＴｉ?１－１１?ｍ?Ｎ１?ｉ?１１Ｕ?Ｎ?１１Ｈ??图１．２—维光子晶体分类：ａ）—维周期光子晶体；ｂ）—维Ｔｈｕｅ－Ｍｏｒｓｅ光子准晶；ｃ）一维??Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ光子准晶??１．３负折射现象??根据麦克斯韦电磁场理论可知，电磁波的三个基本矢量：波矢Ａ：、电场强度??万、磁场强度丑两两互相垂直，满足右手坐标关系，即＊?＝?￡＞＜丑，如图１．３（ａ）所示。??１９６８年，前苏联科学家Ｖｅｓｅｌａｇｏ设想［１２］这三个基本矢量满足左手坐标关系，即／ｔ??＝－五Ｘ丑，如图１．３（ｂ）所示。则满足此特性的材料（左手材料）将具有反常的光学现??象。??￡“（ａ）?五?“（ｂ）??图１．３介质材料中￡、好和Ａ的方向关系：ａ）右手关系；ｂ）左手关系??通常情况下，材料的折射率《、相对介电常数＆、相对磁导率Ａ之间满足??ｎ２?＝?ｅ／ｊ．?（１．１）??则有??３??
材料的相对介电常数和相对磁导率Ａ同时为负时，材料的折射率为负值，这种??材料称为左手材料或负折射材料。当材料折射率为正时，根据Ｓｎｅｌｌ定律，电磁??波通过介质时会发生正折射，如图１．４（ａ）所示。而在左手材料中，Ｖｅｓｅｌａｇｏ的理??论指出光波通过介质时会发生负折射现象，即其光波折射方向与正折射方向相反，??如图１．４（ｂ）所示。??（ａ）?ｖ?（ｂ）?Ｖ??￡＾＞〇?ｌ＼?／１?＾＜０??Ａ＞〇?［Ａ?／Ｊ?Ａ＜０???Ｉ，?ｒ?ｉ???图１．４介质材料折射示意图：ａ）正折射；ｂ）负折射??由于人们在自然界中未找到具有此特性的材料，因而此理论从提出以来，近??３０年都未受到重视。１９９６年，？６１１（１巧等［１３］从理论上证明了金属线阵列和开口谐??振环组合的结构具有负折射效应。１９９９年，Ｐｅｎｄｒｙ等［１４］进一步对其电磁特性进??行了研宄。２０００年，Ｐｅｎｄｒｙ等指出负折射具有恢复并放大倏逝波作用，基于??此特性可制作完美透镜。２０００年，Ｓｍｉｔｈ等［１６］利用二维金属线阵列和铜开口谐振??环合成了世界上第一块介电常数和磁导率均为负的人工负折射材料并发现其满足??左手坐标关系。２００１?年
ｉｌｌ?Ｉ?Ｉ??Ｉ?ａ?Ｉ?ｂ?Ｉ?ｉ?ｄ＝ａ＋ｂ?Ｉ??－ａ－ｂ／２?－ｂ／２?｜?ｂ／２?ａ＋ｂ／２??图?１．５?一维?Ｋｒｏｎｉｇ－Ｐｅｎｎｅｙ?模型??，斯坦福大学的Ｓｈｉｎ等人采用传输矩阵法计算了由金属Ａ替组成的一维金属光子晶体的色散关系及等频率面并指出其长范围可发生全角负折射。同年，美国东北大学物理系Ｖｏｄｏ了电磁波ＴＭ模在一维电介质光子晶体楔形棱镜中的负折射应的等效折射率。其微波实验原理装置与一维光子晶体楔形，如图１．６所示。????ＨＰ８５１０Ｃ????
【参考文献】
本文编号：2856196
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734
【部分图文】：
?＿＿＿??图１．１光子晶体分类［１Ｇ］：?ａ）－维光子晶体；ｂ）二维光子晶体；ｃ）三维光子晶体??（１?ｙ?１１１?［－１１１１１Ｈ１１１１１１?ｌ（ｃ）ｌ?１１８１１Ｍ１１ＢＩＨ１??－?：：?ｆ?．．?；?－?＇?：－ｌ??ＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡＢＡｄ?ａｂｂａｂａａｂｂａａｂａｂｂａ?ａｂａａｂａｂａａｂａａｂａｅａａｂａｂａ??．．??Ｈ１１Ｕ１１?ｎ?Ｈ?ＨＵ?１?Ｉｒｌ?１１１１１１１１：１?ｉＴｉ?１－１１?ｍ?Ｎ１?ｉ?１１Ｕ?Ｎ?１１Ｈ??图１．２—维光子晶体分类：ａ）—维周期光子晶体；ｂ）—维Ｔｈｕｅ－Ｍｏｒｓｅ光子准晶；ｃ）一维??Ｆｉｂｏｎａｃｃｉ光子准晶??１．３负折射现象??根据麦克斯韦电磁场理论可知，电磁波的三个基本矢量：波矢Ａ：、电场强度??万、磁场强度丑两两互相垂直，满足右手坐标关系，即＊?＝?￡＞＜丑，如图１．３（ａ）所示。??１９６８年，前苏联科学家Ｖｅｓｅｌａｇｏ设想［１２］这三个基本矢量满足左手坐标关系，即／ｔ??＝－五Ｘ丑，如图１．３（ｂ）所示。则满足此特性的材料（左手材料）将具有反常的光学现??象。??￡“（ａ）?五?“（ｂ）??图１．３介质材料中￡、好和Ａ的方向关系：ａ）右手关系；ｂ）左手关系??通常情况下，材料的折射率《、相对介电常数＆、相对磁导率Ａ之间满足??ｎ２?＝?ｅ／ｊ．?（１．１）??则有??３??
材料的相对介电常数和相对磁导率Ａ同时为负时，材料的折射率为负值，这种??材料称为左手材料或负折射材料。当材料折射率为正时，根据Ｓｎｅｌｌ定律，电磁??波通过介质时会发生正折射，如图１．４（ａ）所示。而在左手材料中，Ｖｅｓｅｌａｇｏ的理??论指出光波通过介质时会发生负折射现象，即其光波折射方向与正折射方向相反，??如图１．４（ｂ）所示。??（ａ）?ｖ?（ｂ）?Ｖ??￡＾＞〇?ｌ＼?／１?＾＜０??Ａ＞〇?［Ａ?／Ｊ?Ａ＜０???Ｉ，?ｒ?ｉ???图１．４介质材料折射示意图：ａ）正折射；ｂ）负折射??由于人们在自然界中未找到具有此特性的材料，因而此理论从提出以来，近??３０年都未受到重视。１９９６年，？６１１（１巧等［１３］从理论上证明了金属线阵列和开口谐??振环组合的结构具有负折射效应。１９９９年，Ｐｅｎｄｒｙ等［１４］进一步对其电磁特性进??行了研宄。２０００年，Ｐｅｎｄｒｙ等指出负折射具有恢复并放大倏逝波作用，基于??此特性可制作完美透镜。２０００年，Ｓｍｉｔｈ等［１６］利用二维金属线阵列和铜开口谐振??环合成了世界上第一块介电常数和磁导率均为负的人工负折射材料并发现其满足??左手坐标关系。２００１?年
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【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 任坤;任晓斌;;准周期光子晶体平板透镜的光会聚[J];光学学报;2009年08期
本文编号：2856196
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/2856196.html
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