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新型一维光子晶体的制备和传输特性的研究

陈苏  
【摘要】:光子晶体,是由不同介电常数的介电材料构成周期结构。电磁波在其中传播时由于布拉格散射,电磁波会受到调制而形成能带结构,这种能带结构叫做光子能带(photonic band)光子能带之间可能出现带隙,即光子带隙(photonic bandgap,简称PBG),具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals)。通过使用不同的材料和调整几何参数,我们就能以我们需要的方式来改变在其中传播的光。光子晶体结构可以从一维的简单堆栈形式扩展到二维,以及三维的蛋白石结构等及其复杂的形式。然而,光子晶体结构的复杂性并不能阻止我们从理论上利用麦克斯韦方程组来对它进行深入研究。类似的优点还体现在对光子晶体参数的测量上,即二维或者一维光子晶体结构中维数的缺乏并不能够阻碍一些电磁学现象的观察。同样,在光子晶体的制备方法上,经过过去的十几二十年的研究,人们总结了大量的制备工艺和技术,如三维光子晶体的交替沉积和刻蚀,二维中电子束曝光和干法刻蚀的结合等等。近十年来这些研究和技术应用推动了微米甚至纳米尺度的通讯和光波段的光子晶体的研究不断向前发展。本文结合以上背景,进行了以下几个方面的研究: 1.从理论上研究了有限时域差分方法和传输矩阵方法等计算光子晶体带隙的数学方法,计算了由二氧化硅和二氧化钛组成的多种一维光子晶体的能带结构,研究了改变介质层厚度和介质层层数时,光子晶体禁带相应的变化规律;设计了由二氧化硅和二氧化钛组成的可调谐的一维光子晶体滤波器,并计算其透射光谱,采用这一结构,只需要简单的平移入射光,便可以实现在较宽的禁带范围内缺陷模的大范围调节;并且提出了实验制备这一结构的方法。以上理论工作对光子晶体的制备工作起到了一定的指导作用。 2.实验上,利用超高真空电子束蒸发的方法在石英衬底上制备了一维Ag-SiO2体系金属-介质材料光子晶体和Si02-TiO2体系全介质材料光子晶体,对实验条件和成膜控制进行了探索,制备了不同周期数和变周期常数的光子晶体,对制备的光子晶体参数进行测量和研究,成功制备了与理论模拟吻合的一维光子晶体。 3.根据实验制备的材料进行理论模拟,将理论结果和实验进行对比,测量了不同光子晶体的透过率,反射率和吸收率图谱,研究了不同薄膜厚度,不同周期数和不同材料对光子晶体带隙产生的影响,进一步总结了设计和制备光子晶体的规律和方法。 4.制备了变周期一维电介质光子晶体,通过与普通光子晶体进行比较,分析了其对光子带隙产生的蓝移作用,得到了变周期一维光子晶体的作用机制。 5.通过对银-二氧化硅,二氧化钛-二氧化硅等体系的光子晶体的理论分析与实验测试,发现了金属在插入电介质后所产生的吸收增强效应,讨论了随着了插入电介质层的厚度与层数对吸收增强效应的影响,从理论上分析了金属-介质材料光子晶体吸收增强效应产生的原因。


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