光子晶体反射相位及其应用研究

摘要

光子晶体，是一种由介质或金属周期排列而形成的人工材料。正如有电子禁带存在的硅材料是现代电子工业得以蓬勃发展的物质基础一样，具有光子禁带的光子晶体将为光子学的发展开创新的前景。光子晶体被比喻为光子学中的硅材料。由于其崭新的性能和潜在的巨大应用前景，光子晶体已成为当今国际范围的一个研究热点。 鉴于目前对光子晶体的研究中，对透射或反射光的频率和振幅研究较深入。而作为表征光波的重要参数，透射或反射光的相位，却很少有文献报道。我们以光子晶体反射光的相位性质作为研究的主要对象，系统地研究了光子晶体的反射相位特点及其应用。 主要工作包括： 1、为了计算反射相位和设计器件，我们编写了用于计算的时域有限差分(FDTD)程序，程序运行稳定；我们对二维传输矩阵方法(TMM)进行了二次开发使之可以方便计算各阶透射、反射光的相位。 2、研究了一维光子晶体的反射相位特点，给出了一维全角高反光子晶体的反射相位性质，这性质在用高反镜反射椭偏光时必须考虑。发现一维光子晶体缺陷模的相位性质可用作为灵敏的相位调节器和相位控制器的潜在应用价值。 3、研究了当只有0阶反射波为可传播模时，在正入射情况下，从二维光子晶体反射带的下带边到上带边反射相位变化为π，但是不同反射带在带边和带内的相位值是不同的，我们用带边的布洛赫模在元胞边界的电磁场分布分析了原因。而且，我们发现反射光的相位在带隙内变化平缓，且两个偏振之间的相位差可以在很宽的频率范围保持一致。利用此特点，提出了一种基于光子晶体相位特性的宽带波片等相位延迟器。这种宽带相位延迟器解决了现有通用相位延迟器仅工作于单波长和现有相位延迟器难以集成等亟待解决的问题。 4、研究了高阶反射波可传播时，二维光子晶体的反射相位特点。发现各阶反射相位具有独特的对称性，我们发现这种对称性的物理本质源自光子晶体沿表面的平移周期性。 5、由于在反射带内，入射光电磁场能量最强的位置出现在光子晶体表面层附近，反射相位对表面的扰动将会很敏感，我们通过对光子晶体的表面修饰，实现了对反射相位的自由设计，这对于利用相位来设计器件是很重要的。 6、Goos-Hanchen(GH)位移，是指光束在发生全反射时，反射光束的位置偏离几何光学所预言位置的距离，通常为波长大小，而此位移被认为与慢光速、超光速有联系。对于二维光子晶体，通过对反射相位的设计，我们实现了反射光的正和负的巨Goos-Hanchen位移，此位移可以到十几个波长。这对应用来说是非常重要和有意义的。我们解释了引起这种巨Goos-Hanchen位移的原因。

目录

文摘

英文文摘

第一章：绪论

1.1 光子晶体的提出

1.2 光子晶体的实验制备

1.3 光子晶体的理论计算简述

1.4 光子晶体的应用前景

1.5 本论文的背景、主要工作和创新点

第一章参考文献

第二章传输矩阵和时域有限差分法

2.1 传输矩阵方法（TMM）

2.2 时域有限差分（FDTD）方法

第二章参考文献

第三章一维全角高反光子晶体及其缺陷模的相位特点

3.1 引言

3.2 一维全角高反光子晶体反射光的相位特点

3.3 对应于缺陷模灵敏的相位改变

3.4 本章总结和意义

第三章参考文献

第四章 二维光子晶体的反谢相位特点和宽带波片（仅0阶波为传播模）

4.1 引言

4.2 二维光子晶体的反射相位性质

4.2.1 理论方法

4.2.2 反射波为传播模的条件

4.2.3 TM偏振光反射相位在第一反射带的特点

4.2.4 TM偏振光反射相位在高阶反射带的特点

4.2.5 反射相位在通带和禁带中的特点

4.2.6 两种偏振光的反射相位之间的关系

4.3 宽带波片

4.3.1 光子晶体宽带半波片

4.3.2 光子晶体宽带相位延迟器

4.3.3 光子晶体宽带相位延迟器的优点

4.4 本章总结和意义

第四章参考文献：

第五章二维光子晶体的反射相位特点（高阶波为传播模）

5.1 引言

5.2 高阶波为传播模的条件

5.3 高阶波为传播模时的反射相位特点

5.4 通过表面修饰来调节反射光的相位

5.5 本章总结和意义

第五章参考文献

第六章通过设计相位实现正和负的巨Goos-H（a）nchen位移

6.1 引言

6.2 有限宽度光束GH位移计算的理论方法

6.3 光子晶体带隙中反射光的巨GH位移

6.3.1 零阶反射波的巨GH位移

6.3.2 —1阶反射波的巨GH位移

6.4 GH位移的近似表达式

6.5 巨GH位移产生的原因

6.6 设计GH位移

6.7 本章总结和意义

第六章参考文献

全文总结

附录一：攻读博士学位期间完成的论文和申请的专利

附录二：致谢

附录三：原创性声明