文档介绍：复旦大学
硕士学位论文
光子晶体理论研究及应用
姓名:王昕
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态表面物理
指导教师:资剑
20040430
摘要光子晶体的领域。首先详细阐述了常用于处理一维光子晶体的算法——传输矩阵进展,以及仍然存在的问题,最后介绍了目前光子晶体研究领域的热点——负折第一章主要介绍了光子晶体的基本概念,以及基于光子晶体特殊的电磁学性第二章介绍了我在研究生期间从事的一些主要的研究课题,主要集中于一维关键词:光子晶体,全方位带隙,量子阱,负折射,传输矩阵,平面波展开,时本论文研究了电磁波在光子晶体中的传播特性,内容安排如下:质而产生的一些应用,最后列举了一些目前常用的模拟光子晶体性质的算法。法的原理,然后介绍了如何使用异质节方法来展宽一维光子晶体全方位带隙,再介绍了我们改善一维量子阱结构光子晶体缺陷态透射峰峰形的工作,包括取得的射材料,它的机理,特殊的性质,以及我们目前正在研究的内容。第三章介绍了两个我在研究生期间编写的处理光子晶体问题的程序,包括算法原理,程序的使用方法,以及基本的程序框架。这两个程序一是使用平面波展开方法计算三维光子晶体带隙的程序,另一个是二维的时域有限差分方法电磁场模拟程序,这个程序主要是为了目前我们对于负折射材料的研究开发的。域有限差分
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翠田蝴回//,一~\第一章光子晶体简介第一节概述特点是它可以如人所愿地控制光子的运动—。由于其独特的特性,光子晶体众所周知,电子在周期势场中传播时,由于电子波会受到周期势场的布拉格光子晶体是年才提出的新概念和新材料,。这种材料有一个显著的可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件,在光通讯上也有重要的用途,如用光子晶体器件来替代传统的电子器件,信息通讯的速度快得无法想象。散射,会形成能带结构,带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中,传播是禁止的。其实,不管任何波,只要受到周期性调制,都有能带结构,也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是不能传播的。电磁波或者光波也不会例外。不过人们真正清楚其物理含义已经是八十年代末了。图卜一维、二维和三维光子晶体示意图。庾泳迥艽峁购吞芏取阴影部分代表光子带隙。瓣聚态密度膏空间
则∥萂。给出。其中,光子晶体的基本特征是具有光子带隙,频率落在带隙中的电磁波是禁止传播称为零点矩阵元,足光场的概念。儿乎同时,谔致酃庾泳钟蚴币捕懒⑻岢觥H绻ú煌榈绯J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,电磁波会受到虺芇>哂泄庾哟隙的周期性介电结构就是光子晶体,也有人把它叫做电磁晶体固体物理中的许多概念都可用在光子晶体卜,如倒格了、布里渊区、色散关奇点等。由于周期性,对光子也可以定义有效质量。过需要指出的是光子晶体与常规的晶体幽持忠庖宀防此悼梢越凶龅缱悠体邢嗤牡胤剑灿斜局实牟煌绻庾臃拥氖荕方程,电子服从的是薛定谔方程;光子波是矢量波,而电子波是标量波;电了足自旋为的费的,冈为带隙中没有任何态存在。光子带隙的存在带来许多新物理和新应用自发辐射是爱凶斯坦在年提出的,对许多物理过程和实际应用有重要的影Ⅱ向,如自发辐射是半导体激光器的阈电流的主要原因,只有超过闽电流才能发山激光。八十年代以前,人们一直认为自发辐射足个随机的自然现象,是不能控制的。晏岢鲎苑⒎淇梢匀宋8谋鋄,但没有受到任何重视。直到光子晶体的出现爿‘改变了这种观点W苑⒎浼嘎视煞衙谆平鸲态密度。如果电磁波的态密度为零,则自发辐射的几率为零,即没有自发辐射。光了带隙中的态密度为零,因此,频率落在光子带隙中的电磁波的自发辐射被完增强自发辐射。有文献称将白发辐射可以控制的这种现象叫вΑ如果引入缺陷或无序,对电了来说将有电子局域态或安德森局域。如果在光子晶体中引入介电缺陷或介电无序,光子也一样,也会出现局域现象,。年谔致廴绾我种谱苑⒎涫碧岢隽斯庾泳逭庖恍调制而形成能带结构,这种能带结构叫做光子能带之间可能出现带隙,即光子带隙蚪凶龉庾哟恫牧M—龉庾泳宓慕峁辜肮庾幽艽峁埂系、米子,光子是自旋为牟I樱坏缱又溆泻芮康南嗷プ饔茫庾又涿挥小全抑制。如果引入缺陷,在光子带隙中可能出现态密度很高的缺陷态,因此可以9庾幽艽。“
第二节光子晶体的应用在光予晶体中实现光子局域比在电子体系罩更理想,因为这里没有电子体系里存在的多体相吒作用。年实验上观察到二维光子晶体中的光子局域。之后,在半导体粉末叶苯拥玫焦庾泳钟虻闹ぞ輀我们知道即使在真空中也存在零点涨落,但在光子带隙中却没有。这将带来这样·种结果:将原子或分子放入光子晶体中,如果从激发态到基态辐射的光子频率正好落在光子带隙罩,受激的原子或分子将被“锁”在激发态,不能激发到基态。因为此时没有任何光子态与之耦合而辐射。这将带来新的物理现象,如原子将和自身辐射的局域