负折射介质波导特性及应用研究

【摘要】：负折射人工复合材料作为一种具有奇异电磁特性的新型材料已经成为当前研究的一个热点,到目前为止人们提出的负折射人工复合材料主要有左手介质(Left-handed metamaterials)、光子晶体(Photonic crystals)及手征介质(Chiral media)等。本文主要研究了由左手介质和普通介质构成的多种波导的导波特性,负折射光子晶体单界面波导(由空气,高折射率介质层和负折射光子晶体结构组成的三层波导)及由两个负折射光子晶体单界面波导结构组合而成的双界面波导的导波特性及色散特性,对光束在负折射率光子晶体结构界面全反射时的反常古斯—汉森位移进行研究,引外也对自组装法制备三维负折射介质光子晶体的制备工艺进行探索。本文所做创新的工作主要有: 1) 对左手介质为衬底的非对称波导及左手介质圆柱波导中导模的导波特性进行了较为详细地研究。发现在这些左手介质波导中都可能存在基模缺失的情形及同一波导内可以同时存在属于同一个模式但传播方向相反的两个导波模式,这种特性使得左手介质波导并不适合作为普通的信号传输工具;同时发现这些左手介质波导可以以极低的速度传输光波(即慢波特性),这对于信号的延迟及存储具有重要的潜在应用价值;利用左手介质波导的这种慢波特性,提出了一种结构简单但对电磁波具有较好迟滞作用的陷波结构。 2) 利用层多重散射理论分析了光束在二维负折射光子晶体单界面波导结构的导波特性。发现这种波导除与左手介质波导一样有向后波及慢波外,其慢波的导波及色散特性优于左手介质对称波导,如对于同一波导存在多个频率范围内的导模同时具有慢波特性,其慢波特性并不要求某个特定波导厚度,而且既使在宽厚度波导中也比较容易实现单模传输等,这些特性使它在光存储,光学迟延线以及光缓冲等领域有重要的潜在应用价值。 3) 分析光束在负折射光子晶体单界面平板波导结构全反射时的古斯—汉森位移,发现通过合适地选取介质波导层的厚度,全反射光束能够产生巨负古斯—汉森位移,而