光子晶体的带隙与局域调控研究
发布时间：2020-07-23 05:35
【摘要】：光子晶体是一种可以调控电磁波传播的人工微结构,其出色的调控使得它自从被提出后,就一直是凝聚态物理领域研究的重要方向之一。利用光子晶体优异的特性,研制和发展出许多光学和光电器件。例如,光学传感器、开关器、激光器、光子晶体微型天线等。在第二章,本论文主要从理论上研究了光子晶体中由电磁波的偏振和入射角度调控的类拓扑转变。我们从电磁波在单界面入射的情形出发,发现界面处反射波相位在布儒斯特角前后会发生π到0或者0到π的转变。在TM和TE偏振条件下,改变介质参数都可能会出现这种转变。我们理论分析了这种转变发生的原因,从本质上说,其实是不同材料中的与入射角度相关的有效折射率的比值会由大于1转变为小于1,或者相反的变化。研究表明,一维光子晶体的光子禁带性质与光子晶体中的类拓扑性质有关,而光子晶体的禁带特性的转变主要来源于与单界面类似的光子晶体的类拓扑相变。利用该性质,可以用来调控光子晶体表面的光子局域,因此可应用于研制角度调控的光开关器件。进一步地,将两种不同禁带性质的一维光子晶体叠加,在交界面处可以出现界面态,而禁带性质相同的两种一维光子叠加则不会出现。在第三章,本论文主要在理论上研究了由介质光栅和一维光子晶体构成的光子异质结构的光学特性。在TM和TE偏振条件下,由光栅和光子晶体两种不同结构可以形成两种不同性质的禁带,他们组成的光子异质结构的交界面附近出现界面态,在界面处形成很强的光子局域。利用这种由不同性质的禁带叠加出现的界面态,将石墨烯放置于两种结构交界面处,可以增强其对光的吸收,最高可以达到近完美吸收。利用这样的光子微结构,可以用来研制新型的光吸收和光开关器件。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O734
【图文】：
１９８７年分别独立提出的概念，它是一种材料折射率具有周期性的人工微结构。逡逑按照其不同空间维度的周期性，光子晶体可以分为一维、二维以及三维光子晶体逡逑［１？４８】，如图１．２所示。类似于电子受带正电的周期性原子实势场影响形成的能逡逑带结构，电磁波在周期性的介质材料交界面处发生散射，多重散射的叠加可以在逡逑一定宽度的波段形成类似电子禁带的光子禁带［３，４］，电磁波不能透过光子晶体，逡逑即形成全反射；而在其他频段中的电磁波则可以透过，称为光子通带。逡逑ＩＤ逦２Ｄ逦３Ｄ逡逑ｒｒ邋０＃逡逑图１．２邋—维、二维以及三维光子晶体的结构示意图。逡逑１．３邋—维系统的拓扑相位逡逑１．３．１邋Ｂｅｒｒｙ邋Ｐｈａｓｅ邋简介逡逑拓扑是指符合某一种共性的图形的集合。在量子系统中，Ｂｅｎｙ邋Ｐｈａｓｅ被用来逡逑描述绝热过程中，经过／时间后，哈密顿量回到初始形式，其波函数会产生两个逡逑含时的相位因子。其波函数可表示为逡逑（Ｕ）逡逑其中逡逑（１．２）逡逑称为动力学相，与时间有关。而逡逑以，）Ｃ卜（，，）！：邋Ｗ）〉山，逦（１．３）逡逑３逡逑
Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ所代表的拓扑可以用来解释一些现象。在量子系统中，研宄表明逡逑界面两侧若是两种拓扑性质不同的半无限材料，其界面上会出现界面态【３４＿３７】，波逡逑函数在交界面上增强，如图１．３。类似地，在一维光子系统中，对称的一维光子逡逑晶体光子通带中的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ体现了其拓扑性质。与量子系统中著名的ＳＳＨ模型逡逑类似，如果将两种光子晶体叠加，界面处就会出现界面态。当两种带隙频率位置逡逑相同的光子晶体叠加时，他们带隙两边的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ不同时，就可以在界面处激逡逑４逡逑
Ｃ．邋Ｗ．邋Ｌｉｎｇ等人［５４１通过对一维金属颗粒双原子链的能带研宄，发现当原子与逡逑其他两个相邻原子间距不同，即不能等效成一维单原子链的情况下，会出现带隙，逡逑并在两边有两个能带。如图１．４（ａ）所示，上下两个能带的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ分别为０和７ｔ。逡逑在对称一维光子晶体中，Ｗ．邋Ｓ．邋Ｇａｏ等人［５５】在实验上通过测量禁带中的反射相位逡逑变化趋势，以及带隙重叠出现与否确定了每个能带的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ。Ｑ．邋Ｗａｎｇ等人［５６］逡逑利用金属银光栅和光子晶体叠加，同样也通过在带隙中是否激发界面态来判定能逡逑带的邋Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ。逡逑１．４石墨烯及其吸收特性逡逑１．４．１石墨蹄简介逡逑石墨烯在凝聚态、新材料甚至是超导领域都在逐渐成为一颗璀q娴男滦恰Ｊ义
本文编号：2766922
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O734
【图文】：
１９８７年分别独立提出的概念，它是一种材料折射率具有周期性的人工微结构。逡逑按照其不同空间维度的周期性，光子晶体可以分为一维、二维以及三维光子晶体逡逑［１？４８】，如图１．２所示。类似于电子受带正电的周期性原子实势场影响形成的能逡逑带结构，电磁波在周期性的介质材料交界面处发生散射，多重散射的叠加可以在逡逑一定宽度的波段形成类似电子禁带的光子禁带［３，４］，电磁波不能透过光子晶体，逡逑即形成全反射；而在其他频段中的电磁波则可以透过，称为光子通带。逡逑ＩＤ逦２Ｄ逦３Ｄ逡逑ｒｒ邋０＃逡逑图１．２邋—维、二维以及三维光子晶体的结构示意图。逡逑１．３邋—维系统的拓扑相位逡逑１．３．１邋Ｂｅｒｒｙ邋Ｐｈａｓｅ邋简介逡逑拓扑是指符合某一种共性的图形的集合。在量子系统中，Ｂｅｎｙ邋Ｐｈａｓｅ被用来逡逑描述绝热过程中，经过／时间后，哈密顿量回到初始形式，其波函数会产生两个逡逑含时的相位因子。其波函数可表示为逡逑（Ｕ）逡逑其中逡逑（１．２）逡逑称为动力学相，与时间有关。而逡逑以，）Ｃ卜（，，）！：邋Ｗ）〉山，逦（１．３）逡逑３逡逑
Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ所代表的拓扑可以用来解释一些现象。在量子系统中，研宄表明逡逑界面两侧若是两种拓扑性质不同的半无限材料，其界面上会出现界面态【３４＿３７】，波逡逑函数在交界面上增强，如图１．３。类似地，在一维光子系统中，对称的一维光子逡逑晶体光子通带中的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ体现了其拓扑性质。与量子系统中著名的ＳＳＨ模型逡逑类似，如果将两种光子晶体叠加，界面处就会出现界面态。当两种带隙频率位置逡逑相同的光子晶体叠加时，他们带隙两边的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ不同时，就可以在界面处激逡逑４逡逑
Ｃ．邋Ｗ．邋Ｌｉｎｇ等人［５４１通过对一维金属颗粒双原子链的能带研宄，发现当原子与逡逑其他两个相邻原子间距不同，即不能等效成一维单原子链的情况下，会出现带隙，逡逑并在两边有两个能带。如图１．４（ａ）所示，上下两个能带的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ分别为０和７ｔ。逡逑在对称一维光子晶体中，Ｗ．邋Ｓ．邋Ｇａｏ等人［５５】在实验上通过测量禁带中的反射相位逡逑变化趋势，以及带隙重叠出现与否确定了每个能带的Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ。Ｑ．邋Ｗａｎｇ等人［５６］逡逑利用金属银光栅和光子晶体叠加，同样也通过在带隙中是否激发界面态来判定能逡逑带的邋Ｚａｋ邋Ｐｈａｓｅ。逡逑１．４石墨烯及其吸收特性逡逑１．４．１石墨蹄简介逡逑石墨烯在凝聚态、新材料甚至是超导领域都在逐渐成为一颗璀q娴男滦恰Ｊ义
本文编号：2766922
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