一维光子晶体的制备及其滤波特性的研究

摘要

光子晶体因其优异的滤波特性，在光子器件、传感器、光通讯等方面应用前景广泛。本文以一维光子晶体为研究对象，采用仿真与实验相结合的手段对一维光子晶体的滤波特性进行研究。首先阐述了电磁波在一维光子晶体结构中的传输理论，然后基于传输矩阵法通过Matlab软件对该结构进行仿真。通过改变一维光子晶体结构中的不同参数:周期数;介质材料折射率比;电磁波的入射角度;基底介质材料以及当引入缺陷层的时候缺陷层的光学厚度、材料、位置等对该结构滤波特性影响。这些仿真结果为一维光子晶体的制备以及光子晶体器件的设计提供了指导。
　　基于仿真结果的指导，通过溶胶-凝胶的方法制备TiO2-SiO2一维光子晶体。首先讨论了如何控制一维光子晶体的基本单元-单层薄膜的厚度与质量，得到所制备的溶胶的提拉速度与薄膜厚度的关系，确定了高质量薄膜所需要的干燥速度、焙烧制度等因素。根据以上结果制备出在紫外(最大反射率Rmax=90％、半波最大值全宽FWHM=140nm)和可见光波段(Rmax=94％、FWHM=194nm)具有优异滤波特性的一维光子晶体，并且利用SEM、XRD、UV-VIS-IR等仪器它们进行了表征与检测。提出紫外波段的该结构可以用于UVA波段紫外线的防护，可见光波段的该结构可用于太阳能电池的背反射器。此外，本文还通过加入较大粒径溶胶颗粒的方法克服了溶胶-凝胶法制备较大厚度薄膜开裂的问题，制备出了在近红外波段(1600nm)具有滤波特性的一维光子晶体。
　　通过检测所制备紫外和可见光波段一维光子晶体得到各种参数，利用这些参数进行仿真，发现仿真与检测结果一致。另外，还通过实验和仿真对比分析了入射角度与周期数对于一维光子晶体滤波特性的影响，发现二者的结果也相符。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 引言

1．2 光子晶体的概念

1．3 光子晶体滤波特性的应用

1．3．1 光子晶体光纤(PCF)

1．3．2 光子晶体滤波器

1．3．3 光子晶体激光器

1．3．4 高性能反射镜

1．3．5 光子晶体传感器

1．4 一维光子晶体的滤波特性研究现状

1．5 溶胶-凝胶法制备TiO2-SiO2一维光子晶体的研究发展现状

1．6 本课题提出的背景及内容

2．一维光子晶体的滤波理论

2．1 引言

2．2 一维光子晶体的模型

2．3 一维光子晶体计算方法

2．3．1 一维光子晶体中的电磁波传输理论

2．3．2 一维光子晶体的常用计算方法

2．3．3 一维光子晶体的传输矩阵

2．4 本章小结

3．近红外波段一维光子晶体滤波特性的仿真

3．1 引言

3．2 周期数与材料折射率比的影响

3．3 入射角度的影响

3．4 基底介质的影响

3．5 缺陷层对于一维光子晶体滤波特性的影响

3．5．1 缺陷层光学厚度与缺陷模态位置的关系

3．5．2 缺陷层材料的折射率与缺陷模态强度的关系

3．5．3 缺陷层位置与缺陷模强度的关系

3．6 本章小结

4．TiO2-SiO2一维光子晶体的制备与检测

4．1 引言

4．2 一维光子晶体的制备与表征方法

4．2．1 制备方法与材料

4．2．2 表征与分析方法

4．3 溶胶-凝胶法制备薄膜

4．3．1 溶胶的制备与基片的清洗

4．3．2 薄膜的制备与优化

4．3．3 浸渍-提拉法影响薄膜厚度的因素及控制

4．3．4 影响薄膜质量的因素及其控制

4．4 一维光子晶体的制备与检测

4．4．1 一维光子晶体的制备流程

4．4．2 可见光波段一维光子晶体制备与检测

4．4．3 紫外波段一维光子晶体制备与检测

4．4．4 近红外波段一维光子晶体的制备与检测

4．5 本章小结

5．一维光子晶体实验与计算结果的对比分析与讨论

5．1 引言

5．2 一维光子晶体滤波特性的实验和计算对比分析

5．3 周期数对一维光子晶体滤波特性影响的实验和计算对比分析

5．4 入射角度对一维光子晶体滤波特性影响的实验和计算对比分析

5．5 误差分析

5．6 本章小结

6．总结与展望

参考文献

攻读学位期间的主要研究成果

致谢