微纳米尺度下有序和无序结构中的光传播

摘要

研究光在微纳米尺度下有序和无序结构中的传播不仅仅是一个对光与物质相互作用的基本探讨，而且对于以纳米光子学为基础的光信息处理与量子信息处理的应用和实现也是一个重要的推动力量。因此，本论文的研究是具有一定的理论和应用价值的。
　　 在本文中，我们从实验和数值计算两方面详细探讨了光在微纳米尺度下有序和无序结构中的传播。对于有序结构，典型的例子是光子晶体。我们利用光子晶体的基本理论对光在其中传播的主要特性进行研究，重点通过制备三维胶体光子晶体样品进行验证。对于无序结构，我们建立了切合实际情况的理论模型，对磁流体在外场作用下，光波的传播特性进行数值研究。上述研究表明，基于光波多重布拉格反射的有序结构和基于光波多重散射的无序结构都具有光子能隙的特性，并且随着结构单元和结构形式而变化。这些研究都为我们如何利用这些结构去控制光波奠定了一定的基础。
　　 本文为作者在硕士期间的主要研究工作，共分为五章，具体内容安排如下：
　　 第一章：从引言出发，介绍光子晶体的概念和特性简介。接着介绍光子晶体研究中所采用的基计算方法，并且重点介绍平面波展开法和时域有限差分法。最后对无序结构进行简单介绍。
　　 第二章：介绍三维光子晶体的制备方法。通过改进后的三维自组装制备方法，我们建立了相应的样品制备系统，并寻找最优的实验条件来进行样品的制备。最后，通过多种表征方法，证实所制备的样品具有很高的质量，并且验证了三维光子晶体的基本带隙理论。
　　 第三章：介绍无序结构的基本概念以及相关的光学传播特性。利用时域有限差分法，对纳米尺度下铁流体所构成的无序结构进行透射光谱的计算；结合米氏散射理论，对光子能隙受散射体尺寸影响进行研究；对比单体散射和多重散射之间光子能隙的异同；对不同浓度下的无序结构的光子能隙进行研究；对尺寸分散性而引起的光子能隙的改变进行研究；对比在外加场情况下形成的链状结构的光子能隙。
　　 第四章：对有序和无序结构基本理论的实际应用进行探讨。具体研究了光子晶体异质结的制备和光传播特性，以及在微纳米粒子悬浮液系统中的光学操纵和器件应用。这一章主要是作者的合作工作。
　　 第五章：总结与展望。对有序结构和无序结构中光传播特性进行总结，提出可能的进一步的研究方向。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 概述

1.2 光子晶体概念和特性

1.3 光子晶体基本计算方法

1.3.1 简介

1.3.2 平面波展开法

1.3.3 时域有限差分法

1.4 无序结构简介

1.5 本文研究的主要内容

第二章 三维胶体光子晶体的自组装制备以及表征

2.1 光子晶体制备方法简介

2.2 压强控制绝热垂直沉积制备三维胶体光子晶体

2.3 样品的表征以及光子带隙验证

2.4 本章小结

第三章 无序系统光子能隙研究

3.1 无序系统光子能隙简介

3.2 铁流体无序系统的光子能隙形成

3.3 米氏理论与时域有限差分法计算光子能隙

3.4 单体散射与多重散射下的光子能隙

3.5 不同浓度下的光子能隙

3.6 尺径分散性对光子能隙的影响

3.7 磁致链状结构的光子能隙

3.8 本章小结

第四章 有序与无序结构的实际应用

4.1 光子晶体异质结的制备与表征

4.2 微纳米颗粒系统中的光学操纵与器件应用

4.3 本章小结

第五章 研究总结与展望

5.1 本文总结

5.2 不足之处和研究展望

参考文献

致谢

发表论文