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基于薄膜技术的光子晶体理论与器件研究

李明宇  
【摘要】:光子晶体是由介电常数不同的材料周期性分布而成,可以用来控制光的传输。本文主要涉及对基于光学薄膜技术制备的光子晶体材料的研究,包括数值模拟计算方法和薄膜光子晶体特殊效应的研究以及薄膜光子晶体器件的制备和特性测试。对紫外区域一维薄膜光子晶体全角度反射镜、薄膜光子晶体中的超棱镜、偏振和负折射效应以及金属薄膜近场成像进行了研究。 论述了根据角域叠加原理,在石英玻璃基板上用全介质膜系实现了紫外区域全角度一维光子晶体反射镜的设计。采用两个不存在全角度反射带的一维光子晶体在角域上叠加,通过传输矩阵方法,从理论上计算合成光子存在全角度禁带,禁带波长范围从328.95nm到352.11nm,相对带宽为6.80%。实验上采用HfO_2和SiO_2两种薄膜材料,若透射率在1%以下为光子晶体禁带,则禁带波长范围从331.2nm到350.4nm,相对带宽5.63%。从而证明了角域叠加设计的正确性。 研究了一维薄膜光子晶体结构中光子晶体禁带边缘的超棱镜效应。设计了一个多层薄膜滤光片,因为不同波长的入射光在其内部传播的角度不同,所以在入射表面的反射高斯光束侧向位移随波长而变化。利用Maxwell方程组和电磁场切向分量边界连续条件,求解多层薄膜内、外各点的电磁场强度,从而求出反射光束的位移。 首次发现了一维薄膜结构中当膜系的反射群延迟为负时,反射光线会有负的侧向位移现象,这与已报道的研究结果相比有更大的超棱镜效应。通过精确控制薄膜厚度的非极值镀膜方法,制作了薄膜法布里—珀罗滤光片,组建了薄膜超棱镜效应的测试装置,实际观测并测量了因超棱镜效应引起的空间色散位移。同时采用离散傅立叶分解法模拟、解释了实验中发现的反射光高斯光束分裂和透射光束加宽的现象。 提出了一种二维光子晶体偏振分光镜的设计方法,介绍了光栅基板上用Ge/BaF_2多层膜实现二维光子晶体偏振分光镜的优化设计。结果表明,E极化偏振模式的光子禁带宽度为0.083(2π c/a,a是光栅的周期),设计的偏振波长从1.72μm到2.4μm,相对带宽为33.1%。此光子晶体偏振器件制作简单,具有实用性。采用时域有限差分(FDTD)方法模拟了垂直入射时的红外波段二维光子晶体偏振分光镜的透射谱,验证了用平面波方法计算的二维光子晶体能带结构。从实验上初步证明这种光子晶体在垂直入射时具有


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