不同折射率材料光子晶体的能带结构特点研究

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1、不同折射率材料光子晶体的能带结构特点研究　　根据光学、电磁和薄膜介质有关理论，由不同介电常数介质周期性排列形成的组合体，对入射到其中的光具有选择性通过的剪裁功能，以下是小编搜集整理的一篇探究不同折射率材料光子晶体的能带结构特点的论文范文，供大家阅读查看。　　引言　　众所周知，自然界中普遍存在的介质为双正材料，这种材料的磁导率和介电常数均大于零，即其折射率为正实数，而且电磁波在这种介质中传播时，电场分量和磁场分量满足右手定则，所以也称右手材料。　　1968年，苏联科学家维克托韦谢拉戈(VictorVese

2、lago)首次提出负折射率介质，于是人们开始关注这种不同于双正介质的特殊材料，并纷纷进行相关的实验。负折射介质分为双负材料和单负材料。顾名思义，双负介质的介电常数和磁导率均为负，即介质的折射率为负，而且电磁波在这种介质中传播时，电场分量和磁场分量不再满足右手定则，而是遵从左手定则，故亦称左手材料。单负介质分为磁单负材料和电单负材料，磁单负材料磁导率小于零、介电常数大于零，电单负材料则相反，为介电常数小于零、磁导率大于零。大量的研究或实验表明，电磁波在负折射率介质中传播时，表现出不同于普通材料(双正材料)

3、的特殊物理光学、电磁等特性，也正因为其表现出的这种新奇电磁特性，所以长期成为物理学者们研究的主要热门领域之一。　　根据光学、电磁和薄膜介质有关理论，由不同介电常数介质周期性排列形成的组合体，对入射到其中的光具有选择性通过的剪裁功能，即存在能带禁带和导带，处于导带频率的光可以允许通过，而处于禁带频率的光则被禁止通过，这种不同介电常数周期性排列形成的组合体称为光子晶体。1987年，光子晶体概念由Yablonovitch和John提出后，人们对双正介质结构的光子晶体进行了大量的研究，且取得了系列成熟的成果和结

4、论，并且呈现出巨大的潜在应用前景，所以近30年来，光子晶体一直是光学和材料领域的研究焦点之一。近几年来，负折射材料光子晶体成为光子晶体研究的又一个热潮。基于负折射介质的特殊光学、电磁特性，其构成的光子晶体的光传输特性也肯定异于双正介质光子晶体。因此，本文在构造相同光子晶体结构模型的基础上，分别研究双正、双负和单负材料光子晶体的能带特征，以及各类参数分别对双正、双负和单负材料光子晶体能带的影响规律等，力求找出不同折射率材料光子晶体的能带结构特点，为光子晶体的学习者提供指导，并为研究者提供模型和材料选择参考

5、。　　1研究模型和方法　　确定镜像对称结构双正、双负和单负介质一维光子晶体的研究模型为(AB)n(BA)n。对于双正、双负介质，A、B介质层的参数取:折射率nA=2.6，折射率nB=±1.45(双负介质时取负号)，光学厚度DA=nAdA=0.25λ0，DB=nBdB=±0.25λ0(双负介质时取负号)，其中λ0是指光子晶体禁带中心频率ω0所对应的波长。对于单负介质，A和B分别表示负磁导率材料和负介电常量材料，采用传输线模型

6、来描述各向同性单负材料，则负磁导率材料A、B的介电常量和磁导率分别为:εA=3，μA=1，εB=1-ω2ep/ω2，μB=3，其中ω为频率，单位为GHz，ωep为电等离子体频率，大小为100GHz，A、B层介质的厚度为dA=12mm和dB=6mm。　　利用传输矩阵法理论[6，14-16]，通过Matlab编程，横坐标的频率用归一化单位ω/ω0，分别计算模拟含双正介质、双负介质和单负介质光子

7、晶体(AB)n(BA)n的透射能带谱，以及随入射角和周期数而变化的透射能带谱。　　2对称结构一维光子晶体的能带研究　　2.1双正、双负和单负介质一维光子晶体的透射谱　　对于镜像对称结构的光子晶体(AB)n(BA)n，在双正介质、含双负介质和含单负介质情况下，保持以上各参数不变，固定周期数n=3，考虑光垂直入射于介质表面(即入射角θ=00)，利用传输矩阵法理论通过Matlab编程，计算模拟出光子晶体(AB)3(BA)3的透射谱如图1所示。　　从图1中可以看到:当B为双正介质时，光子晶体能带谱中

8、周期性交替出现光子禁带(为光子晶体主禁带)，其宽度为0.331ω/ω0，且禁带中心出现一条窄透射带，如图1(a)所示;当B为双负介质时，主禁带宽度为1.190ω/ω0，如图1(b)所示;当B为单负介质时，主禁带宽度变为2.925ω/ω0，如图1(c)所示。【图1】　　通过对比发现双正介质光子晶体的主禁带宽度最窄，单负介质光子晶体主禁带宽度最宽，双负介质光子晶体介于以上两