完整版材料吸收光子晶体对TM波能带的影响研究毕业设计.docx
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完整版材料吸收光子晶体对TM波能带的影响研究毕业设计
毕业论文
题目：
材料吸收光子晶体对TM波
能带的影响研究
学 院计算机科学与信息工程学院
专业年级2010级应用物理专业
指导教师 刘启能职称 教授
日期2014年5月21日
目录
中文摘要：
1
关键词：
1
Abstract：
1
KeyWords：
1
第一章、光子晶体的基本知识及应用1
1、引言1
2、光子晶体的分类2
3、光子晶体的特性及应用3
第二章、光子晶体理论的一种研究方法——特征矩阵法6
1、光子在吸收介质中传播的处理方法6
2、特征矩阵法的推导7
第三章、吸收材料对一维光子晶TM波能带的影响研究8
1、一维光子晶体的结构和光传播特征8
2、TM波吸收能带随频率变化的影响曲线（2D）8
3、TM波吸收能带随吸收系数和频率变化的影响曲线（3D）9
4、TM波吸收能带随周期厚度和频率变化的影响曲线（2D）11
5、研究结论12
第四章、结束语12
参考文献13
材料吸收光子晶体对TM波能带的影响研究
重庆工商大学应用物理学2010级应用物理包远志
指导教师刘启能
中文摘要：
光子晶体是物理学中的一重大的发现，对我们现在生活有着重要的影响。
光子晶体最大的特点就是具有带隙，能够阻断特定频率的光子，从而影响光子运动。
这种影响就好像半导体体对电子的影响。
所以对光子晶体的研究和探索是有着广阔的前景，人们对光子晶体的“期望”非常大。
光子晶体的出现使信息技术的某些方面的技术的微型化和集成化变成了可能。
结构决定性质，所以对光子晶体结构和功能的探索将为其应用的研究打下基础，本文则是主要研究材料吸收对光子晶体TM波能带影响的研究。
首先介绍了光子晶体的基本知识和基本原理，然后通过实验和计算机软件分析和研究光子晶体中常用一种方法特征矩阵法对光子晶体TM能波影响进行了研究。
关键词：
光子晶体TM能带特征矩阵
Abstract：
Photoniccrystalsareaphysicsmajordiscovery,forwenowlivehasanimportantimpact.Photoniccrystalcapableofblockingaspecificfrequencyphotons,whichaffectsthemotionofphotons.Thiseffectseemstoimpactonthesemiconductorbodyofelectrons.Sothestudyandexplorationofphotoniccrystalsarebroadprospects,peoplephotoniccrystals"expect"verylarge.ThephotoniccrystalappearscertainaspectsofITtechnology,theminiaturizationandintegrationbecomespossible.Determinethenatureofthestructure,sotheexplorationofthephotoniccrystalstructureandfunctionwilllaythefoundationfortheapplicationofresearch,thispaperisthemainmaterialofthephotoniccrystalTMwaveabsorptionbandimpactstudies.Firstly,thebasicknowledgeandbasicprinciplesofphotoniccrystals,andthenusedamethodofanalysisandresearchinphotoniccrystalscharacteristicmatrixmethodphotoniccrystalTMwaveimpactscanbestudiedthroughexperimentsandcomputersoftware.
KeyWords：
PhotoniccrystalsTMwavecharacteristicmatrix
第一章、光子晶体的基本知识及应用
1、引言
1987年，S.John和E.Yablonovitch提出了光子晶体概念，并指出光子晶体具有空间周期结构的电介质，与半导体周期结构导致电子能隙相似，会禁止某些光波带在其中传播即形成光子带隙。
决定光子带隙的空间结构特征长度与光波相似，在几百纳米到微米的数量级。
由于这种人工光学材料具有特殊的光学性质，可能在新型光学器件中得到应用，从而引起人们的极大兴趣。
要把一个新的科学研究成果应用到现实生活中很难，但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。
如果在短期内，光子晶体的基本应用材料会在市场上出现，将势必有很大的商业前景。
在这些应用中，高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管将会占很大的比重。
随著社会的不断发展，生活质量的提高，信息化越来越重要，网络成为了人们生活中的必须品，光纤就扮演了这一重要角色，与如今"视顶盒"类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置。
根据科学家的推测，在五到十年的内，我们应该生产出第一个光子晶体"二极管"和"晶体管"；在科学技术逐渐成熟的十到十五年里，我们应该能制造出第一个光子晶体逻辑电路并且能将他应用在我们的生活中；在接下来的二十五年内光子晶体技术愈发成熟，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。
不仅如此，光子晶体甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；光子晶体薄膜还能作为防伪标志。
由此看，光子晶体的未来是充满光明的、不可估量的。
2、光子晶体的分类
根据光子晶体的介质层空间排列的顺序不同，可以将其分为一维、二维、三维光子晶体，其中一维光子晶体的空间结构如图1.1所示：
图1.1一维光子晶体的空间结构
一维光子晶体是指介质折射率只在空间一个方向具有周期性分布的光子晶体材料。
最简单的一维光子晶体一般是由两层不同折射率的介质薄膜交替组成的，一维光子晶体使得在垂直于介质层方向上的介电常数随空间位置周期性变化，在平行于介质层平面的方向上介电常数不会随空间位置改变。
一维光子晶体结构比较简单，容易于制备，研究方便，具有较强的代表性，且应用十分广泛，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。
二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由许多介质杆平行且均匀地排列而成的。
常见的二维光子晶体的基本结构如图1.2所示，通常是由介质柱形成的规则晶系。
图1.2二维光子晶体的空间结构
二维光子晶体在垂直于介质的方向上（两个方向）介电常数随空间位置周期性变化，而平行于介质杆的方向上介电常数不随空间位置的变化而改变。
为实现二维光子晶体频率禁带范围的调节性，可改变由介质杆阵列组成的晶体结构，使其横截面呈多种形状，如矩形、三角形、石墨六边形等。
三维光子晶体的常见结构是由两种介质的方块所构成的空间周期性结构，如图1.3所示：
图1.3三维光子晶体的空间结构
三维光子晶体材料在三维空间各方向上都具有光子频率禁带特性，三维光子晶体具有广泛的应用前景。
由于当前科学技术水平有限，三维光子晶体的制备较为困难。
第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶体是由美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch创造，它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构，也称为钻石结构。
3、光子晶体的特性及应用
光子晶体诞生后，在很短的时间内迅速发展为光学研究的热门。
光子晶体最重要最根本的特性便是具有禁带和导带。
研究光子晶体的禁带，能控制光的传播状态，抑制自发辐射。
对于参杂光子晶体，入缺陷后可以产生光子局域等独特性质。
对于研究光子晶体的禁带，首先我们要了解光传播的一个基本考察值，即透射率T。
对于单层介质的透射率T可以这样定义：
上式中T为光透射率，为出射光强，为入射光强。
即：
透射率为光经过介质后，出射光强与入射光强之比。
（如图1.4所示）
由守恒定律可知：
反射率R为
上式中R为介质的反射率，T为透射率。
下图1.5所示为单层介质对于不同波长的光波的透射情况。
对一维光子晶体的透射率研究我们会得出如下图1.6所示的情况：
我们定义在光子晶体中，透射率T=0的范围为光子晶体的禁带；透射率>0的范围为光子晶体的导带。
由于通常情况下对于光子晶体的应用更倾向于对光的绝对调制，所以本文也着重研究光子晶体的禁带，即光子无法传播的部分。
通过对光子晶体的应用，我们可以人为的控制电磁波（弹性波）的传播，同时可以利用光子晶体的禁带研制抗电磁辐射薄膜。
在一维光子晶体中，一维掺杂光子晶体的特性也较为特殊。
其基本结构如图1.7所示：
在规则的一维光子晶体中加入第三种介质，从而形成的一维掺杂光子晶体，在保留了一维光子晶体的大多性质的同时，会出现一个新的特性，即缺陷模。
图1.8和图1.9所示的是TE波和TM波缺陷模随入射角和入射波长变化的图像。
由上图可见，无论对于TE波还是TM波，在图像所示的禁带中会突然出现一个很尖锐的突起，形成一个很窄的导带，图1.10可以更明显的看出，一维掺杂晶体出现的缺陷模。
由以往研究文献资料可知：
一维掺杂光子晶体缺陷模的频率由所掺杂的介质的厚度决定，缺陷模的频率宽度由厚度和介质膜折射率共同决定。
4、光子晶体的全反射隧穿性质
一维光子晶体的全反射隧穿现象是最近两年发现的新现象。
为了弄请一维光子晶体的全反射隧穿现象，首先观察光波从硫化锌中射入到氟化镁单一界面上其透射率随入射角的响应曲线。
由于硫化锌的折射率（）大于氟化镁的折射率（），所以当光在该单一界面上会出现全反射现象，其全反射角为。
由图7可知，小于全反射角入射时透射率随入射角的增加而减小，当入射角接近全反射角时透射率迅速降低为0。
当入射角大于全反射角时透射率恒为0，即出现了全反射现象，光不能在大于全反射角情况下从硫化锌中进入氟化镁内。
再来研究光入射一维光子晶体的情况，设一维光子晶体是由氟化镁和硫化锌交替排列。
入射空间和出射空间的介质也为硫化锌。
这种情况下光入射该一维光子晶体时，其其全反射角为。
计算出光入射该一维光子晶体时其透射率随入射角的响应曲线，如图8。
由图8可以看出当光入射该一维光子晶体时，在入射角大于全反射角的范围内有5条明显的透射峰，这表明光波大于全反射角入射该光子晶体时光波能够穿透光子晶体。
这一现象称为“光子晶体的全反射隧穿效应”。
研究还发现一维光子晶体的全反射隧穿峰的个数关于一维光子晶体的周期数，全反射隧穿峰的频率都随光子晶体的周期光学厚度的增加而减少。
光子晶体的全反射隧穿效应的发现为光子晶体的研究开辟了一个新的研究课题。
并且光子晶体的全反射隧穿峰具有优良的梳妆滤波特性，这为利用光子晶体的全反射隧穿效应来设计新型高品质光子滤波器提供了理论基础。
前面介绍了光子晶体的概念、光子晶体常用的研究方法，并且讨论了一维光子晶体的三个重要特性，即能带特性、缺陷模特性、全反射隧穿特性。
利用光子晶体的这些重要性质可以有效地控制光子的传输。
因此光子晶体在光信号传输以及光信号控制方面有着广泛的应用前景。
第二章、光子晶体理论的一种研究方法——特征矩阵法
光子晶体最大的特性是具有光子带隙，光导纤维、光波导、全向反射镜、滤波器、偏振器等光学材料和器件就是利用光子不能在光子禁带中传播这一特性。
当在光子晶体中加入缺陷介质时，光子在其中的的传播会发生局域化从而可抑制或增强其自发辐
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