向列相液晶染料填充光子晶体的电控可调光学特性及光激发特性研究

摘要

基于液晶的电控双折射效应，通过改变外加电场方向实现对光子晶体局域模的调控。建立增益介质—激光染料的增益唯象模型研究染料掺杂光子晶体的光激发特性。本文利用传输矩阵法和时域有限差分法数值计算了向列相液晶染料填充光子晶体的电控可调光学特性及光激发特性。
　　首先，数值计算了含一液晶染料缺陷层一维光子晶体的电控可调光学特性及光激发特性。先建立了含一液晶染料缺陷层一维光子晶体的结构模型，利用传输矩阵法数值计算其泵浦前和泵浦后的透射谱，还数值计算了不同夹角对应的局域模的透射率与增益系数的关系。结果表明：当夹角?在(0°,90°)范围内变化时，局域模波长最大调控量为11nm；激光染料泵浦后不改变局域模的位置，只改变局域模的透射率；当夹角?一定时，随着增益系数c0的增大，局域模的透射率先变大后变小，不同波长的局域模对应于不同的泵浦阈值；随着夹角?的增大，各局域模的品质因子增大，对应的泵浦阈值逐渐减小。
　　其次，研究了液晶染料填充一维光子晶体的电控可调光学特性及光激发特性。先建立了液晶染料填充一维光子晶体的物理模型，利用传输矩阵法数值计算了液晶染料填充一维光子晶体泵浦前和泵浦后的透射谱，还数值计算了不同夹角?对应的局域模的透射率与增益系数的关系。结果表明：与含一液晶染料缺陷层一维光子晶体的结果进行对比，液晶染料填充一维光子晶体缺陷模波长调控量大得多；在泵浦功率一定时，液晶染料填充一维光子晶体泵浦后的增益效果更明显，并且各局域模对应的泵浦阈值要小得多；品质因子越高的局域模对应的泵浦阈值越低；对于某一确定波长的垂直入射的光波，可以通过改变外加电场的夹角来实现光波的通行与截止。
　　最后，研究了液晶染料填充二维光子晶体的电控可调光学特性及光激发特性。先建立了完美二维光子晶体和液晶染料填充二维光子晶体的物理模型，通过时域有限差分法和完美吸收边界条件计算了完美二维光子晶体的禁带结构，液晶染料填充二维光子晶体泵浦前后的波谱图以及激光染料的阈值特性和光场分布图。计算结果表明：完美二维光子晶体有范围为5835nm-6363nm的禁带结构；随着夹角?的增大，局域模波长向波长短的方向移动。并且，夹角?在(0°,90°)范围内变化时，局域模可调量为16nm；液晶染料填充二维光子晶体泵浦后并不改变局域模的位置，只改变了局域模的电场强度；随着夹角?的增大，局域模对应的泵浦阈值逐渐减小，并且局域模的相对光强变化得更快；当泵浦功率大于泵浦阈值时，局域模的相对光强与泵浦功率c0成线性关系；当光波波源波长为局域模波长时，光场能量集中分布于光子晶体中心缺陷处，并且随着夹角?的增大，光场能量越大且分布越均匀。

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第1章 绪论

1 .1 光子晶体

1 .2 液晶

1 .3 激光染料

1 .4 液晶染料填充光子晶体的研究进展

1 .5 本论文研究的主要内容

第2章 数值计算方法

2 .1 传输矩阵法

2 .2 时域有限差分法

第3章 含一液晶染料缺陷层一维光子晶体局域模的电控可调光学特性及光激发特性

3 .1 物理模型

3 .2 数值模拟与分析

3 .3 结论与讨论

第4章 液晶染料填充一维光子晶体局域模的电控可调光学特性及光激发特性

4 .1 结构模型和物理模型

4 .2 数值模拟与分析

4 .3 结论与讨论

第5章 液晶染料填充二维光子晶体局域模的电控可调光学特性及光激发特性

5 .1 物理模型

5 .2 数值计算

5 .3 结果与讨论

第6章 总结与展望

6 .1 全文总结

6 .2 液晶染料光子晶体的展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢