光子晶体中的超透镜和超弯曲效应研究

摘要

负折射是一种存在于左手材料中的奇特非自然现象,基于负折射的超透镜效应因其亚波长成像特性,从而突破了传统光学成像的衍射极限,近年来受到了广泛的关注。由于光子晶体也能够产生负折射效应,因此成为实现超透镜的理想选择。本论文理论研究了二维蜂巢晶格光子晶体平板超透镜成像系统,对该成像系统的点源成点像进行了理论验证并且分析了其亚波长成像特性,点像的最小分辨率可达0.42。通过讨论空气-光子晶体平板边界选取对超透镜成像质量的影响,模拟计算获得了该边界截取量的最优化值。
　　 除此之外,我们首次在理论上通过对两个超透镜所组成的系统对点源成像规律的归纳,推导得出多个超透镜组成的系统成像条件与单个超透镜系统一致结论。并在具有三角晶格结构的二维光子晶体平板中利用理论模拟验证了由两个超透镜组成的系统成像条件等效于单个超透镜系统的结论。
　　 我们还研究了基于正方晶格结构的,通过逐渐改变一种组成光子晶体材料介电常数而形成的二维渐变光子晶体中高斯光束之超弯曲效应的传播特性。分析得出了最优化空气一渐变光子晶体边界截取量值,在TE/TM模式下讨论了超弯曲光束横移量对入射光的函数关系。该渐变光子晶体不仅可用于设计开放型波导器件,而且在分光器和偏振无差异波导中有着潜在的应用价值。
　　 实验上,我们利用全息光刻技术和聚合物离散液晶的结合,在全息聚合物离散液晶中利用特殊设计的单元件棱镜制作了晶格常数分别为1894 nm和500 nm的二维三角晶格光子晶体。全息聚合物离散液晶制作光子晶体的方法具有成本低,实验过程简单,电场可调谐的优点,可用于制作各种晶格结构的大面积二维和三维光子晶体,是一种极具应用潜力的光子晶体制作方法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 光子晶体

1.2 左手材料

1.3 负折射

1.4 光子晶体中的负折射

1.4.1 光子晶体中的超透镜成像

1.4.2 渐变光子晶体

1.5 光子晶体的制作技术

1.5.1 全息光刻

1.5.2 全息聚合物离散液晶

1.6 选题意义、研究内容及主要创新点

第二章 光子晶体的理论模拟方法

2.1 平面波展开法

2.1.1 特定条件下的麦克斯韦方程组

2.1.2 布洛赫原理

2.1.3 二维晶格结构

2.2 有限时域差分法

2.2.1 FDTD基本算法

2.2.2 完美匹配层(PML)

2.3 本章小结

第三章 二维蜂巢晶格光子晶体平板中的超透镜成像

3.1 二维蜂巢晶格光子晶体结构

3.2 二维蜂巢晶格光子晶体的带结构和等频率面

3.3 二维蜂巢品格光子晶体平板的超透镜成像

3.4 空气一光子晶体平板边界对成像的影响

3.5 亚波长成像特性

3.6 本章小结

第四章 多个光子晶体平板超透镜点成像系统分析

4.1 单个光子晶体平板成像系统

4.2 两个光子晶体平板成像系统

4.2.1 条件D1＞L1下的超透镜成像

4.2.2 条件D1＜L1下的超透镜成像

4.2.3 条件D1=L1下的超透镜成像

4.3 数值模拟

4.4 本章小结

第五章 二维渐变光子晶体中的超弯曲效应

5.1 渐变光子晶体结构

5.2 基于TE模的超弯曲

5.3 基于TM模的超弯曲

5.4 空气—渐变光子晶体平板边界截取量的最优化

5.5 横向平移量与波长的关系

5.6 本章小结

第六章 全息聚合物离散液晶光子晶体制备

6.1 液晶

6.1.1 液晶的相变

6.1.2 液晶取向有序性参数

6.1.3 液晶的各向异性

6.1.4 液晶的连续弹性体理论

6.1.5 液晶的定向

6.1.6 电场中的液晶和Fréedericksz电压

6.2 聚合物和光致聚合

6.3 液晶/聚合物的复合体

6.3.1 聚合物稳定液晶

6.3.2 聚合物离散液晶

6.4 全息光刻

6.4.1 双光束干涉

6.4.2 三光束干涉

6.5 全息聚合物离散液晶二维光子晶体的制作

6.5.1 液晶/预聚物的组分和作用

6.5.2 实验器件和光学结构图

6.5.3 理论模拟和实验结果

6.6 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢