基于Dirichlet-to-Neumann映射分析计算旋电光子晶体波导结构

拓展了Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法,将其应用于分析二维旋电光子晶体波导结构.首先基于旋电光子晶体单元晶格的DtN映射,构造出波导结构超级晶格的DtN映射,然后在超级晶格的边界上建立起线性特征值问题进行求解.由于该方法只需要在晶格的边界上进行离散,避免了在计算区域内部的离散,故所涉及的矩阵规模相对较小,极大地提高了计算速度.文章最后用数值算例验证了该方法的有效性.

具有光子晶体结构的电致变色器件的研究进展

光子晶体(Photonic crystals,PCs)是一种周期性排列有序的微结构材料,由于具有独特的周期结构、灵活的光调控能力等特点被广泛应用于电致变色(Electrochromicsm,EC)领域。具有光子晶体结构的电致变色器件可利用其产生的结构色与电致变色的化学色相结合,进而丰富和拓展器件的色域,为电致变色的色彩调控提供新的策略。此外,多维光子晶体结构可以为电致变色器件(Electrochromic devices,ECDs)提供有序离子传输通道和多离子活性反应位点,促进离子的注入/脱出,从而提升器件的电致变色性能。本文扼要介绍了评价电致变色材料与器件性能的参数,着重归纳了不同维度光子晶体在电致变色领域的应用策略,并详细总结了具有光子晶体结构的电致变色器件在智能窗、显示、伪装等领域的潜在应用。最后,针对目前光子晶体结构在电致变色领域中仍存在的问题,对其未来的发展趋势进行了展望。

基于Dirichlet-to-Neumann映射计算太赫兹频段旋电光子晶体带隙结构

用扩展Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法计算太赫兹频段二维旋电光子晶体的带隙结构,由于DtN映射方法仅需在单元晶格的边界上进行离散,避免在其内部离散,因此减少了未知数的个数,使计算速度大幅度加快.首先,构造旋电光子晶体单元晶格的DtN映射;其次,将光子晶体的带隙结构问题转化为矩阵的特征值问题进行求解;最后,数值模拟验证用DtN映射方法计算旋电光子晶体带隙结构的有效性.

二维函数光子晶体波导带隙和电场分布的调制

在二维函数光子晶体波导中,研究介质柱介电常数对带隙结构的调制,以及波导中加入点缺陷时,点缺陷介质柱介电常数对电场分布和光传播方向的调制.结果表明:当二维函数光子晶体波导中不含点缺陷时,改变波导中介质柱介电常数的参数b和k值,可调节波导的禁带数目、禁带位置、缺陷模的数目和位置;当二维函数光子晶体波导中含点缺陷时,改变点缺陷介质柱介电常数的参数b和k值,可改变电场分布和光的传播方向.

光子晶体结构在CB-CPW馈电贴片天线中的应用

研究了共面紧凑型光子晶体(UC-PBG)结构的带隙特性,并采用UC-PBG结构来抑制背面金属支撑共面波导(CB-CPW)中的平行板模式。提出了一种新型的基于UC-PBG结构的CB-CPW馈电贴片天线,通过将CB-CPW背面的金属地板改造成二维UC-PBG栅格结构,在保持CB-CPW原有优点的同时,成功地抑制了平行板模式在天线中的传播。仿真与测量结果表明,与传统的CB-CPW馈电贴片天线相比,该新型天线在UC-PBG的带隙范围内抑制了平行板模式造成的能量泄露,消除了其带来的寄生谐振效应和多径干扰效应,天线的方向图更加光滑对称,旁瓣大大减小,同时法向增益提高了1.5 dB。

渐变结构微谐振器光子晶体波导的优选设计

为获取高品质的单通帯波长信道,设计了三种类型的渐变结构微谐振器光子晶体波导,用FDTD方法研究了这些结构的功率传输谱,并采集功率谱通帯参数对比分析了其输出性能。随微谐振器中心柱半径的增大,每支波导输出端单通帯传输模式表现为从短波向长波三次规律的周期性变化。波导结构选择及其参数的优化有助于输出性能的改善,在开发更多单通帯波长信道上都具有潜在能力。结果表明,优化后的结构拥有高品质的单通带波长传输特性,如:规律性周期变化模式、利于信号增强设计、稳定传输性能、优良宽带适应能力。该类波导可根据所需波长灵活选择最佳类型结构设计,在密集型光通信系统,光路集成,紧凑型光传感接口等设计中具有应用价值。

Ku波段光子晶体加载曲折波导慢波结构

研究了Ku波段光子晶体加载曲折波导慢波结构的色散特性和耦合阻抗。用电磁仿真软件CST MWS进行了仿真,讨论了慢波结构外光子晶体对慢波通道内电磁波的选择通过性。对具有相同结构尺寸慢波结构的研究结果表明:光子晶体加载慢波结构的色散比传统曲折波导慢波结构的色散低;和传统曲折波导慢波结构相比,光子晶体加载曲折波导慢波结构的耦合阻抗略高。

基于Dirichlet-to-Neumann映射计算旋磁光子晶体的带隙结构

扩展了Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法,构造出了旋磁光子晶体单元晶格的DtN映射,并利用该映射建立特征值问题来计算二维旋磁光子晶体的带隙结构.该方法只需要在边界上进行离散,从而得到的特征值问题矩阵较小,并且该特征值问题以频率ω为给定的参数,以波数β的函数为特征值,所以无论对于色散介质还是非色散介质,它都是线性特征值问题.最后,分别以正方形、三角形以及蜂巢状周期排列的旋磁光子晶体为例验证了该数值方法的有效性.

实现低损耗的慢光光子晶体波导结构的设计

基于三角晶格空气孔光子晶体波导,通过在传统的光子晶体单线缺陷薄板波导中加入硫系玻璃材料作为基底,设计了一种在实验中易实现且损耗较低的新型波导结构.运用三维平面波展开法(MPB)计算了不同基底厚度产生的能带结构、场分布以及损耗大小,通过对比分析,得到既能将损耗降到最小、同时又能实现慢光的理想基底厚度.在最优化的波导结构中,得到了损耗为15.4dB·cm-1,光速为0.04 c(c为真空中光速)的理想慢光,比传统波导28.7dB·cm-1的损耗降低约46.3%.

电活性材料驱动的柔性光子晶体结构色调控技术研究进展

针对柔性光子晶体结构变色范围小、柔性不足的问题,对柔性光子晶体结构色调控方法进行了综述,介绍了结构变色的作用机理、载体材料和主要调控方法,对电场型、离子型、电热型电活性材料的变形速度、响应时间、驱动电压、能耗量级和最大应变进行了归纳和对比。对电致结构色调控技术的国内外研究现状进行了归纳和分析,并对各种代表性电致变色技术的变色范围、杨氏模量、驱动电压等主要性能参数进行了对比。通过分析发现传统电致变色技术难以兼顾柔性好、低驱动电压和大变色范围。在全面回顾文献的基础上重点阐述了电活性材料驱动的柔性光子晶体结构色调控技术发展现状,阐明了这种结构色调控方式具有柔性好、易封装、响应模式丰富等独特优势,总结出电活性材料驱动的柔性光子晶体结构色调控是电致结构变色领域中最具发展潜力的技术,同时指出了其面临的问题以及未来的发展趋势。

用转移矩阵方法计算一维光子晶体的禁带结构

该文提出了一种利用转移矩阵来计算一维光子晶体的光子禁带结构的新方法.利用此方法计算了不同介电常量、不同几何结构的晶体的禁带特征,并讨论了掺杂后的一维光子晶体光子禁带的变化情况.

基于结构反转二维光子晶体的拓扑相变及拓扑边界态的构建

构建了二维六角蜂窝晶格的两种结构,让散射体和基体材料反转.由于特有的点群对称,该晶格在布里渊区中心具有类比电子体系的p轨道和d轨道.在散射体和基体反转的两种结构中, p轨道和d轨道也直接实现了反转.定量分析了产生轨道反转的原因来自于低频局域共振产生空气带和介质带的反转.通过p轨道和d轨道的宇称特性,构建了类比电子体系量子自旋霍尔效应的赝自旋态.通过Γ点处有效哈密顿量的分析,揭示轨道反转导致的拓扑相变.通过结构的优化,构建了基于赝自旋的拓扑边界态.电磁波仿真模拟和能流矢量分析证明了结构具有电子体系量子自旋霍尔效应的特性,即自旋与传播方向锁定和拓扑保护.结果也证明经典波量子自旋霍尔效应的实现可以不经历带隙关闭的过程.与同类型的研究相比较,本文的结构不需要晶格的缩放,具有设计简单、带隙宽和边界态局域性较强的特点.

硅凹槽中硅反蛋白石光子晶体直角半波导的制备

探索了利用PECVD方法和ICP技术制备硅凹槽中硅反蛋白石(opal)结构光子晶体直角半波导的工艺条件,研究了射频功率、气体流量、反应室压力、沉积时间等PECVD工艺条件及基底状态对填充效果的影响。结果表明,降低沉积速率有利于在蛋白石结构内外均匀填充,同时在自由基扩散通道不被堵塞的前提下,增加沉积时间及蛋白石结构的规整程度,有助于反opal结构的形成。

自旋旋电子学材料:Fe_4N薄薄膜及其异质结构

本文综述了在自旋电子学器件上具有潜在应用前景的钙钛矿结构的Fe4N薄膜及其异质结构的研究成果和最新进展情况。文章从引言开始,介绍了钙钛矿结构Fe4N的晶体结构和基本性质;之后对多晶Fe4N薄膜、外延Fe4N薄膜、Fe4N/Co N双层膜、Fe4N/Alq3/Co自旋阀、以Fe4N为电极的隧道结的形貌、晶体结构、磁性、交换偏置、自旋相关的电输运特性和磁电阻效应进行了介绍;最后对Fe4N材料的相关研究结果进行了简单的总结和展望。

二维方柱光子晶体的波导特性

具有缺陷的光子晶体,光子频率带隙内将出现局域模,而线缺陷相应地形成一个传输效率很高的光波导.计算了空气中Al材料的旋转四边形直柱光子晶体存在线缺陷时的带结构和态密度,给出了二维方形光子晶体的波导的TM模的电场分布,并讨论了波导耦合的传输效率.

仿生光子晶体结构生色织物的大面积连续化制备

针对目前光子晶体结构生色织物难以大面积连续化制备以及光子晶体的结构稳定性与光学性质难以兼顾的问题,以旋蒸法制备具有预结晶形态的液态光子晶体(LPC),并以LPC为组装中间体,在经特殊高分子预处理的纺织基材上快速大面积制备具有高结构稳定性、高颜色饱和度的光子晶体。结果表明:所制备的LPC呈现鲜艳的结构色且具有优异的动态恢复性;通过外力剪切诱导作用将LPC施加到经特殊高分子预处理改性的织物表面,LPC快速重构显色并向固态光子晶体转变(1 min),再经适当的加热后处理(60℃,5 min),织物表面高分子层界面分子发生弛豫和迁移,以稳固光子晶体结构;以LPC为工作液,应用自行研制的中试设备,实现了光子晶体结构生色织物的快速连续化制备。

采用光子晶体的行波管慢波结构高频特性研究

提出了一种采用光子晶体作为行波管慢波结构屏蔽筒的新方案,论证了方案的可行性,并进行了模式分析。在充分研究光子晶体禁带特性的基础上,计算了光子晶体慢波结构的色散特性和耦合阻抗,对计算结果的分析表明,光子晶体在行波管慢波结构中起到了定向选模的作用,为行波管实现高次模式工作奠定了基础。

SiO2光子晶体制备及其对家具结构色的影响

光子晶体是一种具有光子带隙特性的人造周期性微纳结构,可以应用于仿生彩色涂层领域,为家具等赋予丰富的结构色。为了更加有效地调控结构色,以SiO2微球构筑光子晶体薄膜,系统讨论了氨水、正硅酸乙酯(TEOS)含量和反应温度对SiO2微球粒径的影响规律和机理;采用提拉法、重力沉积法、垂直沉积法、旋涂法4种自组装方法制备光子晶体薄膜,分析比较其优劣,并研究了旋涂次数对结构色的影响。结果表明:TEOS含量和反应温度的增加,会导致SiO2粒径增大;氨水含量的增加,会导致SiO2粒径先增大后减小。通过综合对比发现,旋涂法相较于提拉法、重力沉积法和垂直沉积法制备周期短、操作方便,可快速获得各向同色的非晶光子晶体,且薄膜质量和显色能力均优良。颜色特征值和紫外可见光谱表明,随着旋涂次数的增加,薄膜结构色的饱和度和明度均增加,但旋涂次数过多会导致薄膜内部缺陷增多而使结构色泛白,当旋涂25次时,样品具有相对更好的色度、明度和饱和度。

SiO2@DV复合光子晶体的制备及电致变色性能研究

本文采用St9ber法制备了单分散SiO_2微球,通过垂直沉积组装成蛋白石结构光子晶体,再利用电化学法在SiO_2微球表面生成十二烷基紫精(dodecyl-viologen,简称DV),得到核-壳结构的SiO_2@DV光子晶体复合膜.测试了SiO_2@DV光子晶体薄膜的反射光谱、循环伏安曲线、多电位紫外吸收光谱、对比度及响应时间等光学、电化学及电致变色性能.结果表明,SiO_2@DV复合光子晶体薄膜的氧化还原能力比DV好,颜色更加艳丽;相比于DV薄膜16%的对比度,该光子晶体薄膜最大对比度达到20%;DV薄膜的着色响应时间和褪色响应时间分别为9.08和6.7 s,而SiO_2@DV光子晶体薄膜的着色响应时间和褪色响应时间分别为8.34和5.41 s,较DV薄膜的着色和褪色响应快.将光子晶体结构引入DV中,可得到性能提高的电致变色材料.

共面紧凑型微波光子晶体在共面波导中的应用

提出一种地平面刻蚀共面紧凑型微波光子晶体(PBG)的共面波导结构,介绍了微波光子晶体的基本单元结构,并设计出具有90°弯折的共面波导样品。使用矢量网络分析仪测试该结构的散射参数,测量结果显示,其传输特性比普通的共面波导在高频部分具有较大的提高。同时,相比于传统的三维微波光子晶体,该结构具有导体损耗小,加工工艺简单,便于应用于光电封装和单片微波集成电路的特点。