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基于电磁超材料的光子晶体滤波器及吸波器研究

刘建东  
【摘要】:光子晶体因其奇特的电磁特性和可以利用人工构造调整电磁波传播特性的特点受到广泛的探讨和关注。围绕光子晶体,人们研究并指出了很多具有实际应用价值的构造和元件,比较突出的例如滤波器、光纤、波导等。在半导体物理中空穴与自由电子相互作用可以形成能级,光子晶体中介质层间的布拉格散射效应也会形成带隙结构。由于常规材料组成的光子晶体的布拉格带隙对于入射波的极化和入射角度十分敏感,人们尝试将超材料与光子晶体结合,例如人们提出由相对介电常数小于零(Epsilon-negative,ENG)和相对磁导率小于零(Mu-negative,MNG)的材料组成光子晶体。研究已经证明将超材料周期排列形成的异质结构可以形成零平均折射率带隙。关于零平均折射率带隙的性质也被人广泛的研究和讨论。与布拉格散射禁带不同,入射波的极化方式和斜入射的角度对零平均折射率带隙的影响并不大。因而,可以利用这个性质实现稳定的全角反射镜。在本文工作的第一部分就分析了零平均折射率带隙的特性并且讨论了介质厚度对带隙的影响。随后,本文将研究的关注点放在了通带特性上。通过调节周期数目,我们可以得到具有梳状滤波特性的光子晶体,而且其透射峰的数目跟光子晶体的周期数有关。同时,这些高Q值的通带对于斜入射的极化和角度都不敏感。此外,本文还讨论了将常规材料作为缺陷层加入到超材料光子晶体中,通过调节参数,也可以实现全向的梳状吸收峰。基于全向的零平均折射率带隙,本文工作的第二部分在理论上设计了一款宽带全向吸波器。为了得到宽带全向的吸波特性,本文在零折射率反射镜前添加了等离子体耗散层和阻抗匹配层。由于零平均折射率带隙对极化和角度不敏感的特性,我们设计的结构的吸收带要比基于布拉格带隙的吸收带更宽。吸波效率达到70%以上的全向吸波范围可以达到244MHz,相对带宽为32%。除了利用零平均折射率带隙的全向性,本文还将超材料电磁诱导吸收结构(EIA)与常规光子晶体结合作为本文工作重点的第三部分。EIA分别作为缺陷和三元光子晶体中的一层介质被讨论研究。基于以上两种方法都可以实现电磁波的完美吸收。


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