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光子晶体是介电常数或折射率在空间周期性变化的新型光学结构材料。光子晶体的一个重要特征是具有光子能带或光子带隙,可以控制光的传播性质。如果某频率的光以任何角度入射到光子晶体上,都无法在其中传播,则该光子晶体存在全向禁带或完全带隙。光子晶体的这一特征使它在光通信等领域有广阔的应用前景,所以如何制作出具有全向光子禁带的光子晶体就成为近年来研究的热点。
激光全息技术是国际上近几年来兴起的一种非常有前途的制作微结构的方法。全息光刻有简便、经济、易控制等优点,可以用来制造一维、二维和三维的可见光范围内的光子晶体。
一维光子晶体(比如光纤)的研究已经比较完善,本文主要对二维光子晶体的能带结构进行研究。由于目前使用的全息记录材料分为折射率渐变材料和折射率突变材料两种,本文以三角品格和正方晶格为例,用平面波方法分别对突变型和渐变型的二维光子晶体进行数值模拟,探索其禁带产生的规律。主要内容如下:
1).分别讨论了三角晶格反结构和正方晶格反结构的能带与填充率及折射率对比度的关系。我们发现突变型三角晶格反结构更容易实现全向禁带。
2).提出一种新的制作正方晶格的方法,即用四束光干涉单次曝光来实现,并与传统的用两束光干涉两次曝光制取的正方晶格作比较。新方法制作的正方晶格在一定的折射率调制下可以实现TM波的全向禁带,优于传统的正方晶格。
3).数值模拟了渐变型三角晶格的能带关系,发现三角品格的TM波在折射率调制为0.5时开始出现全向禁带,而TE波存在能级简并,从而使TEM波不存在全向禁带。
4).为了解除渐变三角晶格中TE波的能级简并,我们设计了单次曝光+平移+再次曝光形成的复式三角格子。我们发现,通过适当的平移可以使TE波出现全向禁带,但同时也让TM波的禁带宽度减小。
5).以DCG为记录材料,实验制作了三角晶格和复式三角晶格,测量其透射谱并进行比较分析。