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光子晶体是二十世纪八十年代末出现的新概念,是指一种具有光子带隙的新型光学材料,由于它在调节光子的运动状态的奇妙作用,故在光子计算机和光导纤维通讯等领域有着广泛的用途和潜在应用。例如九十年代发展起来的新光波导材料光子光纤,它和普通光纤相比,具有宽带单模特性、超大数值孔径、独特的色散性和超连续光谱等特性。因此,对光子晶体特性的研究及其应用开发,成为当今世界科研工作者研究的热点之一。一维光子晶体是光子晶体最基本的构型,其结构简单、易于制备,并且具备二、三维光子晶体的性质,极有可能成为全光通信领域中的关键材料,对于研究和设计二、三维光子晶体具有一定的指导意义,因此具有较高的理论价值和广泛的应用前景。
在光子晶体中引入缺陷,光子禁带中会出现品质因质很高的杂质态,从而可以实现自发辐射的增强,形成缺陷模。光子禁带中如果存在缺陷模,可以很容易实现只允许特定频率的光子通过光子晶体,这种特性使得含有缺陷层光子晶体具有广泛的应用潜力。而异质结构就是将两种或以上的不同结构的光子晶体组合在一起,以获得较好的物理性质,使全方位相邻光子晶体的光子带隙相互重叠,最终得到理论上的超大带隙。
MgF2是一种有金红石结构的晶体材料。MgF2是最早采用的性能优良的镀膜材料,它具有透明波段宽(120nm~8000nm)、折射率低(n=1.38)、宽能隙(能隙Eg=11 eV)、热稳定性好、膜层机械强度大和激光损伤阈值高等优异性能。MgF2是一种重要的固体激光器发光介质,可制作光学棱镜、透镜和窗口等光学元件,并且在紫外波段有较低的消光系数。CdSe作为Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有覆盖整个可见光波段的吸收光谱、发射半峰宽较窄、平均原子序数较大、对高能射线具有较高的阻止能力、漏电小、稳定性高、不易潮解等优点,被广泛地应用于光学、电学和光电器件的制造等。而CdTe是由Ⅱ-B族元素Cd和ⅥA族元素Te化合而成的半导体材料。室温下禁带宽度为1.5eV,属间接跃迁型能带结构。它是一种常见的半导体红外膜材料,有很好的红外光学特性,透光区域几乎包括整个红外区域,其制模工艺在太阳能薄膜能力方面已经趋近成熟,常用作光谱分析。CO2激光器的Q调制。也用于制作太阳能电池,红外调制器,HgxCd1-xTe衬底,接近可见光区的发光器件等。
目前MgF2作为镀膜材料的光子晶体文章虽然不少,但是表述不够系统全面,无法将此种材料光子晶体的优良性质脱颖于其他材料的光子晶体,本论文从深度挖掘一维MgF2光子晶体良好的性质表现,首先构建了一维光子晶体MgF2/CdSe和MgF2/CdTe,采用传输矩阵法对其光学特性进行了理论研究,探索了其作为光子晶体的可行性。研究结果表明,普通结构制作工艺简单,当入射角控制在一定范围内,光子晶体所具有的带隙波段范围不会受入射角度所影响的,利用此性质制作的可见光反射镜和红外反射镜具有良好反射性能。在此基础上,分别引入缺陷层Ta2O,和ZnS,极大的提高光子晶体的性能,提高带隙的宽度,能够在不同波段得到透射性质很好的缺陷模,通过参数的调制,可以控制缺陷模的波段位置,有望用于制作可见光波段的滤波器。最后,通过巧妙的设计软件参数,首次利用Translight软件对异质结构进行了研究,分析了这一结构在可见光波段的光学特性。结果表明,异质结构的MgF2/CdSe光子晶体具有带隙宽,反射强度大的独特优点,并且存在完全光子带隙,为制造超宽带隙的光子晶体提供了良好的指导作用,展现了在此基础上制作全反射镜器件的良好应用前景。