光束在周期性微結(jié)構(gòu)材料中的傳播和應用研究.pdf

1、隨著微納技術(shù)和集成光路的發(fā)展，周期性的微結(jié)構(gòu)作為一種新型的光學器件，也在不斷地發(fā)展和完善，并同其它器件一起，已經(jīng)成為全光通信網(wǎng)絡(luò)和光電探測設(shè)備的重要組成部分。作為該類光學器件的代表，一維光子晶體和一維平板光柵都在局部光學增益、光限制、光開關(guān)、光邏輯門以及濾波器等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異的特性。本文考慮了周期性結(jié)構(gòu)對光束的不同調(diào)制特性，從光束與周期結(jié)構(gòu)不同的作用方式出發(fā)，首先研究光束在傳播方向受到調(diào)制的情況，即在一維光子晶體里的線性及非線性傳輸特性

2、；再到光束在非傳播方向受到調(diào)制的情況，即在一維光柵結(jié)構(gòu)中的傳播；最后再研究光束在兩個方向都受到調(diào)制的情況，將一維平板光柵的衍射理論拓展到多層結(jié)構(gòu)乃至二維光子晶體結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。主要的研究內(nèi)容包括：
　　 (1)利用傳輸矩陣法，分析了周期光子晶體的周期數(shù)目、兩種介質(zhì)光學厚度的比值、入射光角度、偏振態(tài)以及介質(zhì)折射率比值對光子晶體光傳輸特性的影響，分析了光子禁帶形成的物理機制；然后我們分析了缺陷光子晶體的透射譜及缺陷態(tài)對缺陷層的厚度、兩側(cè)

3、光子晶體的基本周期數(shù)目和周期部分材料折射率比值的依賴性；最后分析了缺陷光子晶體內(nèi)部的光學增強效應。
　　 (2)在測量薄層介質(zhì)的Z掃描理論基礎(chǔ)上，我們提出了一維非線性光子晶體的理想Z掃描分析理論。我們分析了周期性非線性光子晶體的開孔Z掃描曲線和閉孔Z掃描曲線，以及光學增益和誘導吸收對它們影響；分析了一維缺陷非線性光子晶體的Z掃描曲線特性，結(jié)果顯示，在缺陷模式附近，缺陷層的非線性光學性質(zhì)對Z掃描結(jié)果起決定性的作用。我們還分析了缺陷

4、層的厚度及其非線性系數(shù)對開孔和閉孔Z掃描結(jié)果的影響；最后我們提出一種由厚度較大的非線性體材料和一維光子晶體構(gòu)成的復合光限制器結(jié)構(gòu)，利用后向分步積分法，我們研究了這種復合結(jié)構(gòu)的線性傳輸和非線性光限制特性。
　　 (3)從光柵嚴格耦合波分析方法(Rigorous coupled-wave approach，RCWA)出發(fā)，再結(jié)合介電常數(shù)不連續(xù)分布情況下的傅里葉變換中的倒數(shù)規(guī)則(Inverse
　　 rule)，給出電介質(zhì)矩形

5、光柵的衍射效率計算理論。然后我們提出了一種在斜入射時，能使TM模式的偏振光產(chǎn)生反射增強的濾波器結(jié)構(gòu)。利用嚴格耦合波分析方法，我們對其反射光譜進行了研究，在800nm的波長附近，得到了很好的濾波效果。
　　 (4)在TM模式下，我們對特殊形貌光柵的衍射效率收斂性較差的問題進行了討論。介紹了按照光柵表面輪廓對電場進行切向和法向分解的方法，并將該方法與矩形光柵的快速傅里葉因子分解法進行了對比計算，得到了較好的結(jié)果。我們還將單層圓柱形光