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《青岛大学》 2010年
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光子晶体缺陷中THz波的传输条件和规律研究

刘艳  
【摘要】: 太赫兹(Terahertz, THz)波和光子晶体都是近年来科学研究的热点。波段在微波和红外线之间的THz波,处于电子学向光子学的过渡区域,因此具有许多独特的优点,在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等诸多方面具有一定的应用潜力,目前已经在学术界引起了普遍关注和极大兴趣。但是由于缺少THz波段低色散和低损耗的器件,导致THz波传输损耗严重。如果这一问题不解决,就会阻碍THz波的研究和应用。 光子晶体是一种介电常数成周期性分布的介质材料,在这种结构中存在着特殊的频带,也就是“光子禁带”,频率落在禁带范围内的电磁波是被禁止传播的。如果在光子禁带中引入缺陷,则在禁带中会出现缺陷态,使得与该缺陷态波长相对应的电磁波可以在其中传播。光子最体的这一特性使其可以制造多种器件,如光子晶体滤波器、反射器、开关等,并且可以根据需要适当地引入缺陷或者改变结构,具有一定的可调节性。这种光子晶体结构也同样适用于太赫兹波段,并且在THz波段还具有一定的优势。因为在这个波段中的光子晶体在制作上要比光学波段的容易很多,同时跟微波波段的光子晶体相比,结构上还具有一定的紧凑性,这些也都为制作THz波段的光子晶体器件及其在THz系统中的实际应用提供了可行性。 本文从光子晶体的禁带研究入手,利用平面波展开法计算出THz波段二维和三维光子晶体的禁带结构。文章中分析了适用于太赫兹波段的光子晶体材料并选择硅为主要的介质材料;研究了圆形介质棒半径、介质介电常数对THz波段二维的三角晶格和四方晶格及其反相结构所对应的禁带的影响;研究了小球的半径、介质的介电常数对三维fcc结构和diamond结构光子晶体及其反相结构的完全禁带的影响。从中得到禁带形成的一些规律,为实际的应用提供理论依据。并在此基础之上,利用时域有限差分法,模拟了不同频率的THz波在二维直线型、直角型和T字形光波导中的传播情况。结果发现,THz波在二维光子波导中的传输效果与禁带的宽度有很大的关系,也就是说,二维光子晶体产生的禁带频率范围越大,那此时对应的THz波在其波导中传输的效果就越好。
【学位授予单位】:青岛大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O734

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