蝴蝶五彩斑斕的翅膀,孔雀絢麗奪目的尾翎,甲殼蟲深邃幽藍的外殼,潛藏在這些神奇生物色彩背后的自然奧秘是光子晶體獨特的物理性質。光子晶體是由不同折射率的材料在空間上周期排列而成的人工微結構,它的出現(xiàn)為在波長尺度上操控光傳輸以及光與物質的相互作用提供了強大而有效的手段。光子晶體具有眾多獨特的物理效應,例如光子禁帶、光子局域、自準直效應、超棱鏡效應、負折射效應、慢光效應、拓撲光子態(tài)等。光子晶體的概念和設計方法已經被廣泛用于開發(fā)微型化、高性能、高集成度的微納光子器件,并將應用于構建功能特異的新型光學材料和設計下一代光子技術器件,最終實現(xiàn)高密度、大規(guī)模的光子器件集成。光子晶體研究涉及眾多領域,本文主要研究光子晶體中的拓撲光子態(tài)與負折射傳輸現(xiàn)象。我們研究了兩個沿相反方向傳輸?shù)耐負涔庾討B(tài)之間的相互作用,獲得了寬帶連續(xù)可調的零群速度色散新型慢光態(tài)。此外,還研究了外加飽和電場對液晶光子晶體能帶及等頻線結構的影響,實現(xiàn)了寬角度電控連續(xù)光束掃描器件。具體研究內容如下:1.反向傳輸?shù)耐負涔庾討B(tài)間強烈相互作用的新型慢光效應研究。我們將兩塊分別支持左向和右向拓撲光子態(tài)的正方晶格磁光光子晶體相互靠近,構建具有一定寬度的波導結構以研究拓撲光子態(tài)之間的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)通過適當?shù)卣{節(jié)波導寬度可以得到形狀各異的凹型、平型以及凸型耦合能帶,從而分析了耦合能帶翻轉的物理機制;通過深入分析平型能帶(以下簡稱平帶)結構的本征場分布,揭示了拓撲光子態(tài)反向耦合機制;進一步調節(jié)磁場強度以探究平帶結構的變化規(guī)律,分別計算了不同平帶結構的群速度和群速度色散以分析其慢光特性;最終通過本征模場分布匹配法驗證慢光態(tài)的零群速度色散特性。我們得出結論:當兩塊磁光光子晶體相互靠近時,反向傳輸?shù)耐負涔庾討B(tài)間會發(fā)生耦合。隨著波導寬度減小,耦合強度逐漸增強。當波導寬度為半個晶格常數(shù)時,兩個反向傳輸?shù)耐負涔庾討B(tài)間發(fā)生完全的能量交換與傳遞,進而產生耦合平帶結構。該平帶結構不但擁有零群速度色散(GVD=0)的慢光態(tài)(ng=529.2),而且還能通過調節(jié)外部磁場強度以實現(xiàn)對該慢光態(tài)位置的寬帶調控【可調范圍為0.465～0.567(2πc/a),其相對帶寬高達19.8%】,利用這一特性可以對特定慢光態(tài)的群速度進行調控。這種基于拓撲光子態(tài)反向強耦合效應的零群速度色散慢光波導,同時解決了傳統(tǒng)非磁光子晶體慢光波導中慢光與窄帶之間的矛盾以及慢光與高群速度色散的矛盾。2.可調液晶光子晶體的連續(xù)掃描器件設計研究。我們在按正方晶格周期排列的硅柱陣列中填充向列型5CB液晶以構建液晶光子晶體結構。探究施加面內飽和電場對液晶光子晶體能帶及等頻線結構的影響,并與未施加電場時的情況進行比較。我們通過調節(jié)面內飽和電場方向,研究其施加方向對等頻線結構的形狀的影響及形變的規(guī)律,進一步研究了可調負折射效應,并設計了一種連續(xù)可調光束偏轉器。具體結論如下:施加450V/m的面內飽和電場將使得液晶材料產生具有各向異性的介電張量,導致液晶光子晶體第二、第三能帶在第一布里淵區(qū)高對稱點M點處的簡并態(tài)被打破,能帶發(fā)生上下分離,沿ΓM方向產生單模能帶【頻段0.3105～0.3245(2πc/a)】。此外,各向異性介電張量的產生也打破了等頻線結構關于布里淵區(qū)對稱中心r點的對稱性,使得沿ΓM方向入射的光束在該單模能帶中能夠激發(fā)液晶光子晶體內的負折射傳輸模式。進一步發(fā)現(xiàn)旋轉面內飽和電場的方向可導致等頻線結構的連續(xù)旋轉變形。值得指出的是,在ΓM方向附近區(qū)域的等頻線曲率變化非常大,這一特點可導致光束折射角的顯著變化,以此設計了一種可在±38°范圍內連續(xù)掃描的電控光束偏轉器件。
【學位單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O734
【部分圖文】：

１．１．１光子晶體基本特性與應用??光手聶體的概念類似予固體物理中晶體的概念，它們同樣都具有空間周期結構，根??據維度數(shù)目，可以分為一維、二維和三維光子晶體，如圖１－１所示ｐ??ｍｍｍ??（ａ）｜１維光子最體?（ｂ）?一維光予晶體?（ｃ）＝維光子晶體??圖１－１不同維度光子晶體模型９??固體物理中表征晶體的基本概念也可以借用到光子晶體中，例如晶格、Ｓ格子、倒??格子以及布洛赫周期函數(shù)等。但就物理機制而言》光子晶體與普通晶體有本質上的區(qū)別：??２??

１．１．１光子晶體基本特性與應用??光手聶體的概念類似予固體物理中晶體的概念，它們同樣都具有空間周期結構，根??據維度數(shù)目，可以分為一維、二維和三維光子晶體，如圖１－１所示ｐ??ｍｍｍ??（ａ）｜１維光子最體?（ｂ）?一維光予晶體?（ｃ）＝維光子晶體??圖１－１不同維度光子晶體模型９??固體物理中表征晶體的基本概念也可以借用到光子晶體中，例如晶格、Ｓ格子、倒??格子以及布洛赫周期函數(shù)等。但就物理機制而言》光子晶體與普通晶體有本質上的區(qū)別：??２??

圖１－３?（ａ）零色散光纖波導［５６］，（ｂ）可調光聚焦現(xiàn)象［５９］。??１．１．３光子晶體慢光效應??自從人們發(fā)現(xiàn)光在水、玻璃等介質中的傳播速度低于光在真空：中的傳播速度開始，??便對慢光研究產生了濃厚的興趣，時至今日．，慢光仍是非常熱門的前沿課題。＇當光被減??速，甚至是被停止，都將引起許多有趣的物理現(xiàn)象，并能夠在光延遲線、光緩沖器、光??存儲器以及增強光與物質相互作用等領域發(fā)揮作用。１９９９年，Ｈａｕ等人［６Ｑ］利用電磁感應??透明技術，在４５０ｎＫ超低溫的超冷原子屮實現(xiàn)了?１７ｍ／ｓ的極慢光速。２００４年，拿蕰東??研究小組［６１琍用相千布居振蕩產生的光譜燒孔現(xiàn)象，在室溫紅寶石晶體中實現(xiàn)了?４３ｍ／ｓ??的慢光。２００５年，Ｓｏｎｇ等人＿利用受激布里淵散射使１００ｎｓ的光脈沖在光纖傳輸過程??中延遲到３０ｎｓ。后來人們發(fā)現(xiàn)，脈沖在具有材料色散的介質中傳播時，由子被包中各個??頻率分暈拍傳播速度是不同的，導致脈沖在傳輸過程嚴重失真＆也就是說，僅僅只是減??
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本文編號：2870326