基于金属-介质光子晶体的连续谱中束缚态的研究

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传统上认为,对于开放系统,处于连续谱中的共振态在空间上是扩展的,同时由于与外界存在能量交换,其Q因子也是有限的。而连续谱中束缚态(bound state in the continuum,BIC)是开放系统中一类特殊的束缚态,它的频率处于连续谱中,场分布却又是空间局域的,同时具有无限大的Q因子。因此自从von Neumann和Wigner在1929年提出了BIC这一概念后,人们尝试各种方法来实现BIC并研究其物理机制。迄今为止,BIC作为一种波动物理现象,已经在水波、声波、电磁波等多种系统中得以实现,人们也提出了各种物理机制来解释BIC的形成。同时,由于具有超高的Q因子,BIC有望应用于激光器、传感器、滤波器等领域。光子晶体作为一种新型的光学材料,其能带可控、且易于制备的特性使它成为了BIC研究的一个活跃平台。目前这类BIC研究主要集中在光子晶体平板中,而对于一维层状光子晶体,尤其是一维金属-介质光子晶体中的BIC研究还十分有限。金属-介质光子晶体可以等效为一种新的金属,其有效等离子体频率的可调性为各种研究提供了方便。因此在金属-介质光子晶体系统中实现BIC可以为其应用带来新的灵活性。而且,在介质光线以下,金属-介质光子晶体还支持具有TM偏振的表面等离激元模式。换句话说,金属-介质光子晶体在介质光线之下TE模式与TM模式的能带结构存在着巨大的差异,我们可以利用这一差异来实现BIC。文章具体内容如下:首先,我们分别使用解析(传输矩阵法)和数值(有限元法)两种方法计算了一维金属-介质光子晶体的能带结构。计算表明,金属-介质光子晶体在光线以上与介质光子晶体相似,但是在光线以下表现出极大的差异。即金属-介质光子晶体在光线以下支持以表面等离激元模式传播的TM波,而不支持TE波。这种对偏振的选择性为我们在金属-介质光子晶体中实现BIC提供了物理基础。接着,我们将一个双折射晶体缺陷层夹在两个半无限长的金属-介质光子晶体中间,构建了一个一维光子系统。利用金属-介质光子晶体对TE、TM偏振的选择性以及晶体的双折射效应带来的偏振耦合来实现BIC。通过旋转双折射晶体缺陷层来改变光轴的方向角,在系统中可以实现对称保护的SP BIC,也能够实现由于辐射干涉相消的FW BIC。我们的研究表明,该系统的工作原理也可以等效为偏振变换,即等效于一个斜入射情况下的全波片。最后,我们通过改变双折射晶体的参数,研究了结构参数对BIC的影响。同时我们还提出了一种利于实验实现的改进方案,该方案也能实现两类BIC,这有利于该系统的推广使用。
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