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光子晶体是一种存在带隙的人工周期性结构,频率落在光子带隙中的电磁波将不能在其中传播。它可以如人所愿的控制光子的运动。超材料是另一类具有新颖电磁特性的人工材料,它包括介电常数和磁导率同时为负的负折射率材料和介电常数为负或磁导率为负的单负材料。在光子晶体中引入超材料,将会带来很多新的规律和现象。现有的研究重点侧重于电磁波在含超材料光子晶体的能带结构特性,而对其相移特性的讨论涉及较少。事实上,传统的光子晶体的相移特性已引起了人们的关注。本论文将对含超材料的光子晶体的相位特性进行研究,主要内容包括:
用传输矩阵法计算了“负磁导率材料—正折射率材料”、“负介电常数材料—正折射率材料”以及“负介电常数材料—负折射率材料”组成的一维光子晶体结构在带隙中波的反射相位特性。斜入射情况下,波被光子晶体反射后,TE波和TM波之间会引入一个相位差。在相当宽的频率范围内,两偏振态的反射相位差值可以保持恒定。反射相位差随入射角的增大而增大,且对于不同入射角,相位差可以在相同波段不随频率变化。这种性质为设计一维光子晶体宽带相位延迟器提供了有效的途径。
用传输矩阵法研究了由两种单负材料(负介电常数或负磁导率)材料交替堆叠而成的一维光子晶体异质结的相位特性。通过不同结构参数的选择,讨论了三种异质结构,它们分别表现出不同的相位特性:当仅靠近异质结出射端的子光子晶体存在零有效位相带隙时,在异质结带隙内的反射相移随频率变化剧烈,具有类似于通带相位的特性。在整个带隙内可以连续发生几十π的变化;当仅靠近异质结入射端的子光子晶体存在零有效位相带隙时,在异质结带隙内,反射相位缓慢从-π变化到0;当两子光子晶体都存在零有效位相带隙,且满足异质结构有效折射率为零时,由于迅衰场表面模共振耦合,在禁带中会出现遂穿模,在对应出现遂穿模的位置,相位发生π到0的突变。通过改变结构参数,讨论突变量的变化,为高灵敏度相位调节器提供参考。