光子晶体磁性边界态及耦合效应的研究

摘要

光子晶体本身具有的带隙特性早已吸引了无数科学工作者的目光，原本带隙中的光子是无法通过的，若将无限大的光子晶体截断，形成截断表面，便会在带隙中形成表面模式，表面模式可以约束光在表面传输。但是通常情况下光子晶体的表面模式是固定的。为了获得可调节的光子晶体表面模式，在本文中我们在二维正方光子晶体截断表面添加一层磁性材料，并对传统的平面波展开法（Plane Wave Expansion Method，简称：PWM）进行了改进，计算出二维磁性光子晶体的色散关系，得到表面缺陷模式，通过磁场的改变调节表面缺陷模式的色散属性，从而获得可调的表面缺陷模式。特别是，在表面缺陷模的频率范围内，可以实现群速度为零的表面模式。
　　在上述工作的基础上，把二维三角光子晶体分开，表面各添加一层磁性介质柱，形成两个磁表面缺陷模式。通过两个磁表面缺陷模式的耦合，形成一种新的自陷态模式，这种自陷态模式可以将光约束在波导中。自陷态对电磁波的约束不是依靠外部的机制，而是依靠模式本身的属性。接着我们又在波导两侧各放置一层有限数目的磁性介质柱。成对的磁性介质柱形成了虚拟的反射墙，在两列反射墙之间就形成了微腔。由于这种微腔在波导方向是开放的，在垂直波导方向受光子晶体结构的反射，所以本文称它为半开放微腔。又因为磁性介质柱的位置是可任意改变的，该微腔又可称为可移动的微腔。与传统微腔相比，半开放可移动的微腔有许多独特的优势，如可以任意约束或释放电磁场，其位置和大小都是可调的。本研究为磁光材料和光子晶体的完美组合打开了一个全新的研究大门。
　　此外，还研究了一维光子晶体基于腔模和表面等离子体激元耦合的双频滤波器。设计了一个带有双棱镜全反射装置的夹层结构。夹层结构是由一个金属层和两个相同的介质层组成的。通过标准的传输矩阵法研究了传输特性。这样的系统可以形成两种混合腔表面等离子体-极化模式。两个混合模式的耦合导致共振隧道效应和模式分离。模式分离就形成了耦合双峰。双峰频率的差异可以通过改变金属厚度来调节，以及双峰的位置可以通过改变入射方向调整。该系统可用于设计双频滤波器和太赫兹发射装置。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体简介

1.3 光子晶体表面缺陷模式

1.4 论文主要工作

第二章 光子晶体的研究方法

2.1引言

2.2光子晶体的理论分析方法

2.3 适用于磁性材料的平面波展开法

2.4 有限元仿真软件

2.5 本章小结

第三章 光子晶体磁控表面缺陷模式

3.1 引言

3.2 设计模型与数值计算

3.3 磁控表面缺陷模式特性分析

3.4 本章小结

第四章 自陷带和半开放可移动微腔

4.1 引言

4.2 设计模型

4.3 自陷带

4.4半开放可移动微腔的设计

4.5本章小结

第五章 基于腔模和表面等离子体激元耦合的双频滤波器

5.1引言

5.2结构模型和数值结果

5.3耦合双峰的特性分析

5.4本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文