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光子晶体(PhotonicCrystal,即缩写为PC)概念的提出向人们展示了一种新的控制光子的机制。光子晶体是具有不同介电常数的介质材料在空间呈周期排列的结构,是一种以光子为信息载体的新型人工材料,通过设计可以人为调控经典波的传输。基于负折射特性的超透镜能突破传统成像的衍射极限,极大地提高了成像分辨率,从而对微小结构可实现“完美成像”。如果将负折射特性与光子晶体相结合,将会产生非常奇特、自然界没有的光电磁特性,等效负折射光子晶体(NegativeRefractive-PhotonicCrystal,即缩写为:NR-PC)概念由此产生。本文对NR-PC在目标探测中的应用进行了研究,研究内容如下:
(1)首先简述了光子晶体研究的理论基础,讨论了二维三角品格光子晶体的等效负折射特性及其在光探测方面的应用,得出等效负折射率neff≈-1时的归一化频率为f≈0.3068。对NR-PC的透射特性研究发现在光源的中心频率为fc=0.3068(归一化频率)时,光能透射率可达到4500。之后,在此归一化频率基础上讨论了这种每个原胞中只有一个圆柱散射体的三角格子NR-PC单个平板透镜的探测特性。最后引进了以单个椭圆柱散射体为原胞的NR-PC平板透镜系统。
(2)借助时域有限差分法(FDTD)验证了NR-PC平板透镜在目标扫描探测时可突破传统透镜的衍射极限达到较好的聚焦分辨率分辨率,然后讨论了NR-PC平板透镜宽度的变化对探测分辨率的影响,得出随着平板宽度的增加,由于光传播时损耗的增加,扫描分辨率下降的规律。在上述基础上进一步研究了单个NR-PC平板透镜系统对双目标的扫描探测特性。
(3)讨论了以单个椭圆柱散射体构成光子晶体原胞的NR-PC平板透镜在扫描探测中的应用,通过不同扫描方式的比较发现椭圆柱散射体NR-PC平板透镜较圆柱散射体NR-PC平板透镜具有更好的扫描分辨率。
(4)由于单个平板透镜物距的限制,据此提出多个平板透镜组的设想,并通过对两个NR-PC平板透镜组探测系统的研究表明了透镜组探测系统同样可以突破衍射极限,实现良好的扫描分辨率。进一步对两个NR-PC平板透镜引入缺陷,发现适当地引入缺陷,调节板间的距离可以有效地提高扫描分辨率。所以平板透镜组探测系统是目标探测的发展与进步。
本文的研究为将理想化的LHM平板透镜目标探测成像系统转化为可实现的NR-PC平板透镜探测成像系统提供了重要依据,优化了目标探测系统的性能。