三维宽带隙陶瓷光子晶体设计制造及其负折射特性研究

摘要

三维光子晶体是一种通过适当设计可以控制电磁波传输的人工周期结构。它因具有光子禁带和负折射特性而使其研究具有重大的科学意义和广泛的军事应用价值。光子晶体的结构/材料/外形的多样性和复杂性，使得其制造成为一项巨大的挑战。三维复杂结构光子晶体制造更是成为其发展的瓶颈。同时，由于缺乏有效的制造技术支持，光子晶体理论上计算的许多新的性能难以得已实现。本文以光固化快速成型技术为基础，结合凝胶注模工艺，实现了多陶瓷复杂结构零件的快速制造，为推动复杂结构光子晶体制造技术与理论研究相结合，探索光子晶体的新性能提供了一种新方法。
　　本文提出并设计了变半径组合金刚石结构光子晶体和多介质耦合光子晶体。通过仿真分析发现变半径组合光子晶体和多介质耦合光子晶体能够显著增加光子晶体带隙宽度，实现宽带隙性能。研究了多区域分步填充陶瓷浆料实现多介质耦合复杂结构陶瓷零件的快速制造工艺，发现通过颗粒级配使陶瓷浆料的固相含量达到60 vol.％时仍具有较好地流动性，采用冷冻干燥工艺使陶瓷零件的干燥收缩率控制在1%以内，烧结收缩率控制在3%左右。通过光固化成型结合多步凝胶注模工艺实现了多介质耦合复杂结构陶瓷零件制造，为光子晶体性能研究提供了有力地制造技术保证。
　　研究了变半径、多介质耦合和多固相含量陶瓷耦合对金刚石结构光子晶体带隙性能的影响规律。实验研究发现：通过直接打破光子晶体结构分布或介质分布的均匀性，可有效拓宽其带隙宽度，实现光子晶体的宽带隙性能。对于变半径光子晶体，随着空气球半径减小率的增加，带隙宽度明显增大，最大带宽可达到完美光子晶体带宽的234%，带隙的中心频率向高频偏移。通过制造多种陶瓷耦合或多固相含量同种陶瓷耦合光子晶体结构，控制其中一种陶瓷的种类或固相含量变化，也可以拓宽光子晶体的带宽，实现其带隙性能的可控性。变半径组合结构、多介质耦合以及多固相含量陶瓷耦合光子晶体结构的制造为拓宽光子晶体带宽，实现其带隙的可控性能提供了新途径。研究了结构参数、陶瓷固相含量及收缩率对光子晶体性能的影响规律，建立了材料性能参数和结构参数与光子晶体带隙中心频率关系的经验公式。
　　研究了材料性能和结构参数对光子晶体负折射性能的影响规律。研究发现：随着介电常数的增加，发生负折射的中心频率向低频偏移，频率宽度逐渐减小；随着圆柱半径变化率的增加，负折射发生的频带中心频率向低频偏移，频带宽度逐渐增加；随着晶格周期变化率的增大，发生负折射的频带中心频率基本恒定，频带宽度逐渐减小；研究了三种微结构形状的光子晶体负折射性能，发现负折射的中心频率变化范围很小。正方形微结构频率宽度最大，其值为0.96GHz。通过以上研究，认识了各参数对光子晶体负折射性能的影响规律，为负折射特性光子晶体的主动设计和制造奠定了基础。

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CONTENTS

主要符号表

1 绪论

1.1选题意义及应用背景

1.2国内外研究进展

1.3本论文研究工作

2 三维宽带隙光子晶体设计与制造

2.1引言

2.2三维宽带隙光子晶体的结构设计与性能仿真

2.3多陶瓷复杂结构光子晶体快速制造工艺

2.4本章小结

3 变半径三维光子晶体的宽带隙性能研究

3.1引言

3.2实验材料和方法

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4 多介质耦合三维光子晶体的宽带隙性能研究

4.1引言

4.2实验材料和方法

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5 材料性能和结构参数对光子晶体负折射性能影响规律研究

5.1引言

5.2实验材料和方法

5.3结果与讨论

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1结论及创新点

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的研究成果

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