一种基于光子晶体的高效太阳能电池反射器的设计

利用SiO2和TiO2介质,设计了一种可用于太阳能电池反射器的一维光子晶体。采用传输矩阵法对该光子晶体从可见光至近红外波长范围的反射谱进行了模拟计算,并分别讨论了周期数和入射角不同时反射谱的变化。结果表明:光线垂直入射时,周期数N增加,其反射谱在短波段的禁带数增加、禁带宽度变窄,而长波段的反射率增加。入射角θ增大时,平均反射率增加,因而该光子晶体具有良好的角度宽容性,可作为高效的太阳能电池率反射器。     

可见光波段的一维光子晶体的理论设计

利用传输矩阵,计算了Si／KCl、Si／TiO2、TiO2／MgF2三种典型的具有λ／4波片堆结构的可见光波段的一维光子晶体的反射率,并且研究了折射率比、周期数和入射角对一维光子晶体特性的影响。结果表明,可见光波段的一维光子晶体的周期的增大会使禁带中心红移、绝对带宽和相对带宽扩展;相对带宽随着折射率比的增大而增大,但依靠提高折射率比来提高一维光子晶体的相对带宽有限。该研究结果对可见光波段的一维光子晶体的实用制备具有理论指导意义。     

入射角对光子晶体杂质模的调制

运用光在分层介质中传播的特征矩阵方法,通过数值计算,研究了掺杂一维光子晶体中光子禁带及杂质模的特性随不同偏振光及入射角的变化。研究结果表明,杂质模的中心波长及整个光子禁带随入射角的增加逐渐向短波方向移动,P偏振光和S偏振光的杂质模的移动情况基本一致。但是,禁带宽度、杂质模的带宽及Q值随着入射角的增加有明显变化。P偏振光的禁带宽度随入射角增加逐渐减少,而S偏振光的禁带宽度随入射角增加先不变后增加。P偏振光的杂质模的带宽先随入射角增大逐渐增宽,入射角大于67°之后又逐渐减小,而S偏振光的杂质模的带宽随入射角增加先减小然后略有增加,Q值也发生相应变化。     

一维全息光子晶体基本周期对光子禁带的影响

利用由传输矩阵法得到的一维光子晶体的反射率计算公式,针对具体的一维全息光子晶体周期结构,计算了折射率调制周期的改变以及光学厚度的改变对光子禁带结构的影响．结果表明：随着折射率调制周期参数的增大,禁带宽度减小,禁带中心的位置移向短波;随着光学厚度的增大,禁带宽度增大,禁带中心的位置移向长波．在设计光子晶体时,可以根据需要,通过改变光子晶体基本周期结构的参数来实现对光子带隙的控制．     

基于厚度精确法用遗传算法搜索一维宽带隙光子晶体

本文用遗传算法设计了大禁带的一维光子晶体.用传输矩阵法计算光子晶体能带.光子晶体的初始结构由计算机随机产生,通过遗传算法对光子晶体结构进行了优化,得到最大全方位相对禁带宽度(定义为禁带宽度与禁带中心之比)的一维光子晶体.发现由多种介质材料构建多层的一维光子晶体原胞时,折射率最大和最小的两种材料构成的两层结构的光子晶体相对禁带宽度最大,而且一维两层结构光子晶体的全方位禁带宽度随着两种介质折射率差的增大而增大,最后会达到一个饱和值200%.并研究了TM、TE模式的相对禁带宽度与光入射角的关系.     

基本周期对一维复周期光子晶体禁带的影响

利用由传输矩阵法得到的一维光子晶体的反射率计算公式,针对具体的一维复周期全息光子晶体的周期结构,计算了光学厚度的改变以及折射率调制周期的改变对光子禁带结构的影响。结果表明,随着光学厚度对比的增大,禁带宽度增大,禁带中心的位置移向长波;随着折射率调制周期参数对比的变化,出现了两个禁带,随着折射率调制周期参数对比的增大,两个禁带之间距离增大,禁带分别移向短波和长波处,短波处禁带宽度减小。在设计光子晶体时,可以根据需要,通过改变光子晶体基本周期结构的参数来实现对光子带隙的控制。     

入射角和杂质吸收对一维光子晶体反射镜的影响

利用复折射率的方法和膜系设计软件TFcalc分别研究了入射角和杂质吸收对一维光子晶体反射镜反射谱和透射谱的影响.结果表明:随着入射角的增大,一维光子晶体反射镜的禁带中心位置蓝移,禁带宽度减小.入射角小于60°时,带隙势阱深度几乎不变,大于60°后带隙势阱深度变化较大.当入射角无限接近90°时,P偏振光的带隙几乎消失,S偏振光的带隙几乎保留.杂质吸收对于一维光子晶体的反射谱和透射谱显著影响时的临界消光系数值分别是0.001和0.0003.高折射率介质层的杂质吸收对光谱的影响较小.     

采用平面波展开法研究一维全息光子晶体的禁带

为了研究一维全息光子晶体的禁带性质,采用平面波展开法做了相关计算,得到了一维全息光子晶体的禁带会受到入射光角度改变以及不同偏振特性影响的结论.在制作光束正入射时,介质中会产生完全禁带.当制作光束斜入射到介质表面上时,禁带不再是完全带隙:随着制作光束照射到介质表面的入射角增大,禁带位置移向高频区域.这一结果与用传输矩阵法计算得到的结果一致.并计算了不同偏振态下禁带宽度随入射角变化的关系:对于S偏振光.禁带宽度随着入射光角度的增加而变大,对于P偏振光,禁带宽度随着入射光角度的增加而减小.为开展下一步的实验工作提供了理论依据.     

一维光子晶体禁带的全貌结构

利用一维光子晶体反射率公式,绘出了一维光子晶体横电波(TE)波和横磁波(TM)波的禁带随入射角和波长变化的三维立体图,并从俯视、主视、右视三个侧面,全面、立体地研究了一维光子晶体禁带结构的全貌特征,为设计一维光子晶体的全能反射器和大角度范围的起偏器提供了理论依据.     

一维光子晶体结构对反射光相位的影响

运用光在介质中传播的特征矩阵方法，通过数值计算，研究了一维光子晶体结构对光子禁带的反射光相位的影响。研究结果表明，光在光子禁带的反射率对于不同的入射角均近似为1；反射光的相位随入射角而变化，对于不同结构的一维光子晶体，反射光相位的变化不同，并且S偏振光和P偏振光的反射光相位的变化亦不相同；通过改变光子晶体的结构参数可以实现对反射光相位的调制。     

入射角度对一维光子晶体禁带的调制研究

利用特征矩阵法,分别研究了不同偏振方式的波入射到光子晶体时,光子晶体的禁带随入射角度的变化.结果表明:不论是TM波入射还是TE波入射,随着入射角度的增大,光子晶体的带隙都向短波方向移动;TM波入射时,光子晶体的带隙随入射角度的增大而减小,而以TE波入射光子晶体时,随着入射角度的增大,光子晶体的带隙逐渐增大.     

三层单负材料为周期单元对称型一维光子晶体的频率特性

应用传输矩阵法研究了以三层单负材料为周期单元对称型一维光子晶体(ABC)M(CBA)M。结果表明,其带隙结构对入射角的敏感程度与光波的偏振性有关,TE波的高频通带会随着入射角的增大向中心频率移动,而TM波的带隙结构对入射角的变化不敏感。研究还发现各介质层厚度的变化对能带结构的影响规律不相同。当保持各介质层厚度比不变,成倍增大各介质层厚度,高、低频通带变窄并向中心频率移动,低频区通带首先消失。当改变各介质层厚度比时,若保持A、C层厚度不变,减小B层厚度,高、低频通带分别向两侧移动同时收缩变窄;若保持B层厚度不变,增大A、C层厚度,高、低频区通带同样变窄,低频区通带首先消失,带隙同样变宽。最后研究了该光子晶体的零有效相位带隙结构,发现其通带随晶格常数的增大逐渐向中心频率移动同时收缩变窄,这一特性可以用来设计单通道窄带零有效相位延迟滤波器。     

含负折射率介质光子晶体的斜角禁带

研究了由正负折射率介质交替排列构成的光子晶体的传输特性,负折射率材料(NIM)是有损耗的Drude色散媒质。研究发现,这类光子晶体具有零折射率带和传统的Bragg带,此外在NIM的折射率接近于零的频域还出现了一个新型的禁带——斜角带。该斜角带的位置与晶格参数无关,其带宽较小;在电磁波垂直入射时禁带消失,但随着入射角的增大禁带逐渐展宽,且TM模的带宽大于TE模。     

一种基于光子晶体的中远红外双波段兼容伪装材料

光子晶体作为一种新型人工结构功能材料,基于其光子禁带的高反射特性可以实现热红外伪装。选择红外波段透明的薄膜材料A、B,设计出在中远红外波段具有高反射禁带的光子晶体,利用薄膜光学理论的特征矩阵法计算了反射光谱。通过构造异质结构光子晶体,实现了光子带隙的展宽,该结构光子晶体基本上实现了中远红外双波段的高反射,在2.94~5.06μm和7.66~11.98μm波段的光谱反射率接近为1;在2.91~5.12μm和7.62~12.29μm波段的光谱反射率大于95%,较好地满足了中远红外双波段兼容伪装的要求。倾斜入射时光子晶体的TM波和TE波的反射光谱是不同的,随着入射角度的增加,TM波的带隙逐渐变窄,而TE波的带隙逐渐变宽。     

周期层数及入射角对一维光子晶体带隙的影响

一维光子晶体基本周期的介质折射率取n2=1.5和n3=2.5,采用传输矩阵法,通过For-tran编程进行数值计算,分别得到了不同周期层数(N)及不同入射角度(θ1)下的一维光子晶体透射谱;从光子带隙频宽、带隙中心位置及带隙中心的透射率值等方面,分析并讨论了周期层数及入射角对一维光子晶体带隙特性的影响。结果表明,随着N值的增加,带隙中心的透射率值迅速减小,当N增至16层时,一维光子晶体基本形成;此外,在0°～85°内,随着入射角度的增加,带隙低频值向左移动,高频值向右移动,带隙宽度呈增加的趋势,入射角不影响光子带隙的中心位置。     

柱体截面不同二维光子晶体透射谱TMM数值研究

为了研究柱体截面对二维光子晶体传输特性的影响，应用转移矩阵方法数值计算不同截面形状柱体组成二维光子晶体的透射谱。数值结果表明在一定的入射方向。某些频率的光不能在光子晶体中传播即出现所谓的禁带．禁带的宽度、频率范围、频率中心与光予晶体柱体的截面形状有关。在相同截面时可通过角度调节实现对禁带的微调。     

含正负介质光子晶体在角度入射情况下的带隙结构变化

采用传输矩阵法研究了在角度入射情况下由PIM/NIM组成的一维光子晶体的透射谱,得到其带隙结构的变化规律:光子晶体的带隙结构会随着入射角的改变而改变,尤其对于色散的NIM与PIM组成的一维光子晶体,在nN≈0附近会产生一个新的带隙,新带隙的中心位置保持不变,但宽度会随着入射角的增大而变宽;第一级Bragg隙的中心位置和隙宽也随着入射角的变化而变化,这为二次谐波效应实现完全相位匹配创造了条件.     

光子晶体在L/X双频天线中的应用

光子晶体(Photonic Crystal)具有频率带隙、同相反射等特殊性能,利用光子晶体的频率带隙特性,可以有效抑制表面波和谐波辐射,改善天线性能。简要介绍了L/X双频馈源的工作原理,设计了矩形金属贴片结构的光子晶体,通过仿真验证了其具有频率带隙特性,将设计的矩形金属贴片结构的光子晶体技术应用到L/X双频馈源的设计当中,有效抑制了X频段表面波,通过仿真及实测均可以看出,改善了馈源方向图,提高了天线增益。     

1维光子晶体的能带结构分析

为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。