正負折射率材料組成的一維光子晶體的能帶及電場

應用物理學論文編號:WLX111  字數:11457,頁數:30

目  錄
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目錄 iii
第一章     緒論  1
 1.1  負折射率材料概述 1
 1.1.1  負折射率材料的提出 1
 1.1.2  負折射率材料的制備與應用前景 1
 1.2  光子晶體概述 2
       1.2.1  光子晶體的概念及其特性 2
       1.2.2  光子晶體的應用 3
 1.3  本論文的主要工作 3
第二章     光子帶隙形成的物理機制分析  4
 2.1   晶體中電子的運動 4
 2.2   光子晶體中光子的運動 4
 2.3   光子帶隙的形成 5
第三章     電磁波在一維光子晶體中的TE、TM極化 7
 3.1   光的電磁理論 7
 3.1.1  電磁波在介質中的傳播 7
 3.1.2  電磁波在周期性介質中的傳播 8
 3.2  一維光子晶體的理論研究 10
      3.2.1  傳輸矩陣法的理論模型 10
      3.2.2  傳輸矩陣的推導 11
 3.3  一維光子晶體的帶隙 14
第四章     正負折射率材料組成的一維光子晶體的能帶 17
      4.1  傳統一維光子晶體材料各參數對光子帶隙的影響 17
           4.1.1  周期數對光子帶隙的影響 17
           4.1.2  周期光程對光子帶隙的影響 18
           4.1.3  折射率比值對光子帶隙的影響 18
      4.2  正負折射率材料組成的一維光子晶體 19
           4.2.1  周期數對光子帶隙的影響 20
           4.2.2  周期光程對光子帶隙的影響 21
           4.2.3  折射率比值對光子帶隙的影響 22
第五章     負折射率層為色散介質的一維光子晶體能帶 23
      5.1  色散負折射率材料 23
      5.2  一維光子晶體傳輸特性 23
第六章     總結與展望 24
致謝 25
參考文獻 26

摘    要
 光子晶體是一種具有周期性介電常數的人工材料，其主要特征是具有光子禁帶。根據空間維度不同，可分為一維、二維和三維光子晶體。由于其獨特的性質，光子晶體可以用來制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件。
 負折射率材料是最近幾年才提出的一種全新的人工合成材料，由于其獨特的電磁性質和廣闊的應用前景而倍受關注。把負折射率材料引入到光子晶體中，必然會使得光子晶體具有許多新的傳輸特性。因此，含負折射率材料的一維光子晶體已成為當前的一個研究熱點。
 本文的主要工作如下：
 1.分別闡述了負折射率材料和光子晶體的基本概念、特性及應用。
 2.從麥克斯韋方程出發，分析了光子帶隙產生的物理機理。
 3.從光的電磁理論出發，分析電磁波在介質中的傳播特性，并推導出一維光子晶體傳輸矩陣。
 4.從光子晶體的結構出發，利用傳輸矩陣方法進行數值模擬，研究傳統一維光子晶體和含負折射率材料的一維光子晶體帶隙的影響因素。
 5.研究了負折射率層為色散材料的一維光子晶體的能帶。

關鍵詞： 光子晶體  負折射率  傳輸矩陣  能帶 

Abstract
 Photonic crystals are artificial materials with periodic permittivity. The major characteristic of photonic crystals is photonic band-gap. According to the difference of dimension in space, there are one, two and three dimension photonic crystals. Due to its particular characteristics, photonic crystal can be used to make devices with high performance, which are based on totally new theories or instruments can't be manufactured before.
 Left-handed material (LHM) is a new kind of artificial material with both negative dielectric permittivity and negative magnetic permeability. Recently, LHM has attracted much attention for its unusual electromagnetic wave properties and extensive applications. If we consider photonic crystals containing LHM, we will get many new transmission properties. Presently, one-dimension photonic crystals containing LHM have become the focus in research.
 The main works in this paper are shown as follows:
 1. The conception, properties and applications of LHM and photonic crystals are reviewed.
 2. From the Maxwell equation, we analyzed the physical mechanism of photonic band-gap formation.
 3. From the electromagnetic theory of light, we analyzed the propagation characteristic of electromagnetic wave in the medium and derived the theory of one-dimensional optical transfer matrix.
 4. Based on the structure of photonic crystals, we do some research about structure parameter effects on band-gap of one-dimension photonic crystals and one-dimension photonic crystals containing LHM by transfer matrix method.
 5. We studied the energy bands of one-dimension photonic crystals in which we substitute the left-handed materials with dispersion materials.

Keywords:  photonic crystals；negative refraction index；transfer matrix；energy band