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含缺陷Ta_2O_5/MgF_2一维光子晶体的理论分析

张晓晶  
【摘要】: 1987年,Yablonovitch和John分别独立地提出了介电常数呈周期性分布的材料可以改变光子在其中的传播行为,并称这种材料为光子晶体(Photonic crystals)。光子晶体可以调制光在其中的传播行为,因而产生了许多新奇的物理性质,在制作全新概念或以前所不能制作的高性能光学器件上有广泛应用前景。目前光子晶体的研究和制备主要集中在波长大于红外、可见光的波段。波长位于可见光波段,尤其是波长较短波段的光子晶体的理论和实验研究还很少,这主要是由于大部分的材料在此波段都存在严重的吸收;另一方面现有加工工艺在制备二、三维光子晶体时还有一定难度,而一维光子晶体结构简单,易于制备,在应用上又可以代替某些高维光子晶体,正在成为人们研究的热点。 Ta_2O_5是一种高折射率、低吸收的陶瓷材料,在可见光和近红外区有高的反射率,其应用的领域越来越广。而MgF_2材料则是可见光及紫外波段最具应用潜力的光学材料之一,在可见光区有很高的透射率,是一种低折射率和高抗损伤的材料,本文选用Ta_2O_5和MgF_2两种光学材料构建了可见光波段一维光子晶体,由于可见光波段光子晶体的膜层厚度在纳米数量级,而两种材料组成的界面间原子互扩散会引起界面区域出现一折射率变化层,因此也考察了界面区域折射率变化对带隙特性产生的影响。 可见光波段一维光子晶体及其含缺陷结构设计采用传输矩阵法。具体研究内容如下: 1.设计了Ta_2O_5/MgF_2多层膜一维光子晶体周期结构,其带隙从439nm到559nm覆盖了整个蓝绿光波段。入射角在较小角度范围0?~20?变化时TE、TM模式带隙完全重合,但入射光以高于20?的角度入射时,TE、TM模式带隙不再完全重合,虽然两种模式下带隙均发生蓝移,但TE模式带隙变窄而TM模式带隙增宽。 2.在Ta_2O_5/MgF_2多层膜周期结构中间引入Ta_2O_5缺陷层设计了一种含缺陷一维光子晶体。调节其缺陷层厚度带隙中分别出现了单、双缺陷模,单缺陷模位于蓝绿光交界处(495.3nm),双缺陷模分别在蓝光(471nm)和绿光(528nm)。 3.构建了Ta_2O_5和MgF_2界面原子互扩散结构模型,探讨了Ta_2O_5和MgF_2界面区域折射率变化对Ta_2O_5/MgF_2一维光子晶体带隙及缺陷模的影响规律。


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