负折射光子晶体平板成像特性研究

摘要

等效负折射光子晶体(Negative Refractive-Photonic Crystal，缩写为:NR-PC)是一种利用其本身负折射特性制成的具有不同介电常数的介质材料在空间呈周期排列的结构的新型人工材料。基于负折射特性的NR-PC平板透镜具有亚波长成像特性，这种透镜能突破传统成像的“衍射极限”，极大地提高了成像分辨率，从而对微小结构可实现“完美成像”。近年来，随着对光子晶体材料及其新颖特性的理论及实验研究的不断深入，NR-PC平板透镜的负折射成像特性及其在微小目标探测方面应用的使得成为实现超分辨成为可能。因此，对周期结构等效负折射光子晶体平板成像特性的研究具有科学和应用上的重要价值。
　　论文分别对二维三角晶格椭圆孔NR-PC平板透镜成像及掺银缺陷圆孔NR-PC平板透镜组特性进行了研究。设计了不同结构的NR-PC平板透镜探测扫描方案:椭圆形空气孔的NR-PC平板透镜目标探测系统与掺金属银缺陷的圆形空气孔的NR-PC三平板透镜组目标探测系统。
　　论文主要的工作及创新点如下:
　　(1)设计了介质柱形状为椭圆形空气孔NR-PC平板的结构和两种目标探测扫描方案——动态扫描方案和组合透镜扫描方案。分别比较椭圆形空气孔的NR-PC平板透镜目标探测系统和圆柱形空气孔的NR-PC平板透镜目标探测系统在动态扫描方案和组合透镜扫描方案下的两种结果。结果发现:在组合透镜扫描方案下，椭圆空气孔NR-PC平板透镜再聚焦分辨率达到0.07886λ，与动态扫描方案下，圆孔对应的再聚焦分辨率（0.4226λ）相比，提高了大约0.366λ。较大地提高了再聚焦分辨率。发现了在一定的目标探测扫描方案下，椭圆形空气孔的NR-PC平板透镜目标探测系统能优化透镜系统的性能。
　　(2)扩展了Snell定律。通常的Snell定律只能应用在单层反射面上，即只能对圆孔NR-PC单平板成像特性进行分析;而若想分析NR-PC平板透镜组的成像特性，需要对Snell定律进行扩展。本文结合几何光学原理及Snell定律，由点光源经过圆孔NR-PC单平板的聚焦成像规律推导出点光源经过圆孔NR-PC三平板透镜组的聚焦成像规律。
　　(3)建立了掺金属银缺陷的圆孔NR-PC三平板透镜组目标探测系统模型。根据银纳米的等离子体在固定频率引起局部共振，使归一化场强电平信号有显著增强的原理，在NR-PC平板透镜中掺入金属银缺陷;分析系统内各自的NR-PC平板透镜，从而找出掺银缺陷的最佳分布规律;通过对平板透镜不同组合找到掺银缺陷的合理分布。研究表明:掺金属银缺陷的圆孔NR-PC三平板透镜组对其成像时，通过掺银缺陷的合理分布，其再聚焦分辨率（0.18834λ）和单板无掺银缺陷（0.2564λ）相比，提高了0.06806λ，而且具有明显小的旁瓣。表明经优化组合的NR-PC三平板透镜组进一步提高了再聚焦分辨率。相邻两板之间板的距离可以灵活调整。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．3 研究内容

1．4 全文结构

第二章 负折射光子晶体成像理论及数值分析方法

2．1 光子晶体简介

2．2 光子晶体的等效负折射理论

2．2．1 左手材料的负折射现象

2．2．2 光子晶体的等效负折射特性

2．3 完美透镜理论

2．4 平面波展开法

2．4．1 麦克斯韦方程组及本征方程

2．4．2 二维三角晶格光子晶体的本征方程

2．5 时域有限差分法

2．5．1 Yee氏网络

2．5．2 二维Haxwell方程组的Yee算法

2．5．3 吸收边界条件及信号源

2．5．4 稳定性条件

2．6 仿真工具Rsoft Photonic CAD Suite

第三章 NR—PC椭圆孔平板透镜对目标探测成像

3．1 NR-PC椭圆孔平板透镜成像系统建模

3．2 NR-PC椭圆孔平板透镜成像原理分析

3．3 NR-PC平板透镜目标探测扫描方案

3．4 NR-PC椭圆孔平板透镜目标探测系统建模

3．5 仿真与讨论

3．6 本章小结

第四章 NR-PC圆孔平板透镜组对目标探测成像的研究

4．1 NR—PC圆孔平板透镜组对目标探测成像原理

4．2 掺银缺陷对NR-PC三平板透镜组的目标探测与成像的影响

4．3 仿真与讨论

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的成果