柱状光子晶体中倍周期嵌套结构的多频段吸收区扩展方法

摘要

本发明属于光子晶体的光电技术领域，具体地说，是一种柱状光子晶体中倍周期嵌套结构的多频段吸收区扩展方法，通过软件仿真并结合麦克斯韦方程组得到有外加磁场时柱状光子晶体的吸收率表达式；调整等离子体频率和等离子体回旋频率并控制等离子体碰撞频率，得出非互易吸收性能最佳的参数范围；将单一倍周期结构的最外层沿中心方向朝外进一步扩展，得到双层倍周期结构；将双层倍周期和单一倍周期结构嵌套得到三层倍周期结构；分别调整内外两层结构的等离子体回旋频率，得到双层倍周期结构的吸收带；将三层结构中每层的等离子体回旋频率进行调整，使得吸收带实现多频段可调。

说明书

技术领域

本发明属于光子晶体的光电技术领域，具体地说，是一种柱状光子晶体中倍周期嵌套结构的多频段吸收区扩展方法。

背景技术

近年来，光子晶体调制器因实现高次谐波调制、电磁波传播和慢波调制而受到研究人员的青睐。与二维和三维光子晶体相比，一维光子晶体的简单周期性结构更易制造。在一维光子晶体中，电磁波的传播可以用常见的转移矩阵法在笛卡尔坐标下进行解析研究。

Dadoenkova等人提出了一维有源电介质光子晶体。他们在理论上研究了基于所提出的结构中的长时间频率调制EM脉冲的隧道效应。为了精确调节PBG在阳极氧化氧化钛膜中的位置，Ermolaev等人定量确定了多孔阳极氧化氧化钛的有效折射率与阳极氧化系统之间的关系，并建立了一个模型，该模型可以预测和控制PBG在可见光谱中的位置。

在模拟光与活性介质相互作用的研究中，活性介质由光子晶体包围的四能级原子材料表示，在多种模型系统中研究光泵激光：二维正方晶格中的缺陷线和圆柱形光子晶体，并计算这些系统的场分布和转换效率。研究表明，对于腔中的大面积活性材料，可以实现高转换效率，可用于设计超低阈值激光器，以及可调谐缺陷模的研究。

由于折叠效应，电磁波在具有周期性结构的光子晶体中传播的双向非互易性可用于整流器的制备。这对研究光子晶体的非互易现象具有重要意义。等离子体的折射率小于1，介电常数随电磁波入射频率的变化而变化，从中可以研究出许多光学性质。等离子体可以根据电磁波的不同频率实现选择性通过功能。等离子体光子晶体除了具有透射系数和反射系数外，光子带隙也会随着入射电磁波的方向而改变。参数和结构的调整可用来吸收电磁波，这对入射角的依赖较小；根据这些原理得以构建许多吸收体，等离子体蚀刻法制备的光子晶体也可用于研究光吸收现象。

先前对于柱状等离子体光子晶体的研究只针对单一的光学现象(如透射或吸收)做出了研究，没有探索如何使得吸收或透射现象在最大程度上达到更优，即尽可能使吸收带在所研究的频带范围内更宽。

发明内容

本发明的目的是提供一种柱状光子晶体中倍周期嵌套结构的多频段吸收区扩展方法，通过将不同等离子体回旋频率的Period-Doubling结构进行拼接，使得吸收峰可以连续地分布于某一频段，从而形成宽吸收带。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种柱状光子晶体中倍周期嵌套结构的多频段吸收区扩展方法，包括以下步骤：

步骤一、通过软件仿真并结合麦克斯韦方程组得到有外加磁场时柱状光子晶体的吸收率表达式；

步骤二、调整等离子体频率和等离子体回旋频率，并控制等离子体碰撞频率，得出非互易吸收性能最佳的参数范围；

步骤三、将单一Period-Doubling结构的最外层沿中心方向朝外进一步扩展，并与另一单一结构进行嵌套，得到双层Period-Doubling结构；

步骤四、将双层Period-Doubling和单一Period-Doubling结构嵌套得到三层Period-Doubling结构；

步骤五、分别调整内外两层结构的等离子体回旋频率，得到双层Period-Doubling结构的吸收带；

步骤六、将三层结构中每层的等离子体回旋频率进行调整，使得吸收带实现多频段可调。

本发明的进一步改进，步骤一得到的有外加磁场时柱状光子晶体的吸收率表达式为：

其中，ν是等离子体碰撞频率，ω

令

而标准贝塞尔方程形式的控制方程为

V(ρ)＝AJ

于是得到z方向的磁场分量表示式H

H

接着考虑电场分量

令

于是U(ρ)和V(ρ)可以进一步表示为

由式(2-23)可以得到U的控制方程为

jU(ρ)＝-pAJ'

其中

外磁场作用时的反射率和透射率的计算只需要将等离子体层的介电常数改变为ε

p

本发明的进一步改进，步骤二中，调整等离子体频率为ωp＝0.01πc/d在ωp＝0.02πc/d之间，调整等离子体回旋频率为ωc＝3ωp-6ωp并控制等离子体碰撞频率ν在0.4ωp以下；等离子体频率的增大对于图谱整体的变化趋势没有影响，对于前后向传播的相对差异也没有影响，也同样不影响非互易传播出现的区域，但是会对吸收率的幅值产生影响，即等离子体频率的增大会导致吸收率的增大，但并不会无限制增大，当大于一定程度时谱线会出现断点，此时便不应盲目增大等离子体频率来换取吸收率的增大，故应将等离子体频率调整为ωp＝0.01πc/d到ωp＝0.02πc/d之间。同时保证等离子体回旋频率为ωc＝3ωp-6ωp的范围内，并在0.4ωp以下合理提升等离子体碰撞频率，可以得到最佳的非互易吸收性能。

本发明的进一步改进，等离子体回旋频率的增大会使得吸收峰向高频区偏移，且移动在全频段范围内较连续，而吸收带的宽度以及吸收率的大小没有明显变化，将三种不同的等离子体回旋频率ω

本发明的进一步改进，采用三层Period-Doubling结构时，各个频段的吸收带相比于单一Period-Doubling结构和双层Period-Doubling结构都有大幅扩展，且吸收带可以平移至全频区的任意频段处，只需要将三层结构中每层的等离子体回旋频率进行调整，在低频区域保证等离子体回旋频率处于2.1～2.8ω

本发明的进一步改进，步骤三中，采用准周期Period-Doubling结构，并将结构进行三次拼接，每一次施加不同的、逐渐升高或降低的等离子体回旋频率实现吸收区的延展；步骤六中，每层的等离子体回旋频率的调整由结构中心向结构外层进行调整，且层与层之间的等离子体回旋频率间隔控制在0.5ωp以内，以便吸收峰可以形成连续的、平滑的吸收带。

本发明的有益效果：本发明具有以下优点：

(1)极大地拓宽了柱状结构下等离子体光子晶体的吸收区，对于环形器、隔离器、吸波器等光学器件的革新有较大参考价值；

(2)非互易吸收性能得到优化。通过提高等离子体碰撞频率，前后向传播的差异性会增大，非互易吸收性能得到增强；

(3)结构整体吸收率得到提升。控制等离子体碰撞频率在0.4ωp内，并适当增大等离子体频率，便会得到更高的吸收率；

(4)本发明方法还可以拓展应用于平面光子晶体、环形光子晶体等其余多种光子晶体结构中，用以扩展结构整体的吸收区，并增强非互易的传播。

附图说明

图1是本发明的结构及参数示意图。

图2是不同等离子体回旋频率下吸收带所处频段图。

图3是不同等离子体回旋频率下双层Period-Doubling吸收带所处频段图。

图4是不同等离子体回旋频率下三层Period-Doubling吸收带所处频段图。

图5是本发明实施例中ωp＝0.01πc/d时单一Period-Doubling结构的非互易吸收图谱。

图6是本发明实施例中ωp＝0.02πc/d时单一Period-Doubling结构的非互易吸收图谱。

图7是本发明实施例中ωc＝3ωp时单一Period-Doubling结构的非互易吸收图谱。

图8是本发明实施例中ωc＝6ωp时单一Period-Doubling结构的非互易吸收图谱。

图9是本发明实施例中ν＝0.2ωp时单一Period-Doubling结构的非互易吸收图谱。

图10是本发明实施例中ν＝0.4ωp时单一Period-Doubling结构的非互易吸收图谱。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例：如图1所示，一种柱状光子晶体中倍周期嵌套结构的多频段吸收区扩展方法，包括以下步骤：

步骤一、通过软件仿真并结合麦克斯韦方程组得到有外加磁场时柱状光子晶体的吸收率表达式；

步骤二、调整等离子体频率和等离子体回旋频率，并控制等离子体碰撞频率，得出非互易吸收性能最佳的参数范围；

步骤三、将单一Period-Doubling结构的最外层沿中心方向朝外进一步扩展，并与另一单一结构进行嵌套，得到双层Period-Doubling结构；

步骤四、将双层Period-Doubling和单一Period-Doubling结构嵌套得到三层Period-Doubling结构；

步骤五、分别调整内外两层结构的等离子体回旋频率，得到双层Period-Doubling结构的吸收带；

步骤六、将三层结构中每层的等离子体回旋频率进行调整，使得吸收带实现多频段可调。

如图2所示，在采用单一Period-Doubling结构时，将等离子体回旋频率ω

如图3所示，采用了双层Period-Doubling结构，可以看出各个频段的吸收带相比于单一Period-Doubling结构都有所扩展，而吸收带的幅值没有受到影响，证实了可以通过将单一Period-Doubling结构重复性嵌套来实现吸收带的展宽以及吸收带在全频段的位置可调。

如图4所示，在采用三层Period-Doubling结构时，各个频段的吸收带相比于单一Period-Doubling结构和双层Period-Doubling结构都有大幅扩展，且吸收带可以平移至全频区的任意频段处，只需要将三层结构中每层的等离子体回旋频率进行调整，在低频区域保证等离子体回旋频率处于2.1～2.8ω

图5展示了等离子体频率ω

图6展示了ω

对于不同等离子体回旋频率ω

图8展示了ω

图9展示了等离子体碰撞频率ν＝0.2ω

图10展示了ν＝0.4ω

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。