（计算机应用技术专业论文）周期性人工微结构介质的空间滤波特性研究.pdf

删 r e s e a r c h e so ns p a t i a lf i l t e r i n gp r o p e r t i e s o fp e r i o d i c a l l ya r t i f i c i a lm i c r o s t r u c t u r em a t e r i a l s b y l u o z h a o m i n g b e ( h u n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 0 m s ( h u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 6 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e ra p p l i c a t i o n st e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw e n s h u a n g c h u n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 刁枷诌 日期：2o lf 年石月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：叼刍臼们 新签名：7 5 研 日期：2 off 年6 月2日 日期：2 0 f 年6 月2 f j 周期性人t 微结构介质的空问滤波特性研究 摘要 空间滤波器在图像增强、信息处理和激光技术等领域有非常重要的应用。传 统的空间滤波器通常是由两块透镜构成的4 f ( f 是透镜的焦距) 聚焦型系统，存在 体积大、不能近场滤波等不足。本文针对传统光学空间滤波器的不足，开展了新 型平板即插即用型( 非聚焦型) 空间滤波器的探索研究，重点研究了周期性人工 微结构介质的空间滤波特性，提出了实现偏振无关、工作频率可调谐、全向滤波 等的解决方案，为新型空间滤波器的设计和制造提供基础理论支持。取得的主要 成果如下： 第一，基于r u g a t e 结构的带隙空间特性，提出并设计了一种r u g a t e 结构的低 通空间滤波器，数值模拟证明应用这种空间滤波器可实现光束的平滑。该空间滤 波器具有非常平坦的通带和陡峭的通带一阻带之间的过渡带，且其空间截止频率可 以通过调节r u g a t e 结构的参数而改变。运用时域有限差分算法对该类空间滤波器 在光束平滑中的应用进行了仿真，验证了其低通空间滤波的有效性。 第二，针对传统光子晶体空间滤波器的滤波特性跟偏振相关的不足，提出并 实现了一种含负折射率材料一维光子晶体的空间滤波器，它具有偏振无关的特 点。通过优化缺陷层的结构参数，在该光子晶体结构的零均折射率带隙中可出现 一系列偏振无关的缺陷模。基于这些缺陷模，设计了偏振无关的低通、高通和带 通空间滤波器，其截止频率可通过改变含缺陷层光子晶体结构的周期数而调谐。 第三，研究并得到了一维磁性光子晶体偏振无关传输的一般性条件，实现了 严格偏振无关的光子晶体空间滤波器及更宽全向带隙的光子晶体。研究发现，不 含缺陷的完整光子晶体中偏振无关传输的条件是，组成完整光子晶体的两种材料 的折射率和厚度相同、波阻抗互为倒数。当满足上述关系的两种完整光子晶体构 成光量子阱结构时，该量子阱结构能实现偏振无关的传输：当阻抗为1 的单层缺 陷层引入到完整光子品体中时，含缺陷层光子晶体也能实现偏振无关的传输。 最后，研究一维量子阱结构的全向对称可调谐滤波特性，发现在含单负材料 的光量子阱结构中出现了对称的束缚态，其数目和频率可分别通过改变阱光子晶 体的周期数和厚度而调谐。相比于基于布拉格或者零均折射率带隙的光量子阱结 构，含单负材料的光量子阱结构的对称束缚态对光的入射角和偏振更不敏感。这 种结构有望为制作对称可调和全向多通道滤波器提供一利- 新的方式，在密集波分 复用系统中有很好的应用前景。 关键词：光子晶体；负折射率材料；带隙特性；缺陷模特性；空间滤波 n 博士学位论文 a b s t r a c t s p a t i a lf i l t e r sh a v ev e r yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si ni m a g ee n h a n c e m e n t ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g ，l a s e rt e c h n o l o g ya n do t h e rf i e l d s at r a d i t i o n a ls p a t i a lf i l t e rt h a ti sa4 f ( fi s t h el e n sf o c a ll e n g t h ) f o c u s i n gt y p es y s t e mf o r m e db yt w ol e n sh a ss e v e r a ld e f i c i e n c i e s ， s u c ha sar e l a t i v e l yl a r g es i z e ，i m p o s s i b i l i t yo fn e a r - f i e l df i l t e r i n g ，a n ds oo n a i m i n g a tt h e s ed e f i c i e n c i e so ft r a d i t i o n a ls p a t i a lf i l t e r s ，w ec a r r yo u te x p l o r a t i o na n dr e s e a r c h o fan e wf i a tp l u g - a n d p l a y ( n o n f o c u s i n gt y p e ) s p a t i a lf i l t e r , a n dm a i n l yf o c u so nt h e s p a t i a lf i l t e r i n gp r o p e r t i e so fp e r i o d i c a l l ya r t i f i c i a lm i c r o s t r u c t u r em a t e r i a l s as e r i e so f s c h e m e sa r ep r o p o s e d ，i n c l u d i n gp o l a r i z a t i o ni n d e p e n d e n c e ，t u n i n go p e r a t i n gf r e q u e n c y , o m n i d i r e c t i o n a lf i l t e r i n ga n ds oo n i ti se x p e c t e dt ob eh e l p f u lt h e o r e t i c a l l yf o rt h ed e s i g n a n dm a n u f a c t u r eo ft h en o v e ls p a t i a lf i l t e r s t h em a i n l ya c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h es p a t i a lp r o p e r t i e so ft h eb a n d g a po fr u g a t es t r u c t u r e s ，an e w a p p l i c a t i o no fr u g a t es t r u c t u r e si sp r o p o s e da sl o w - p a s ss p a t i a lf i l t e r s ，a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o np r o v e st h a tt h es p a t i a lf i l t e r sc a na c h i e v eb e a ms m o o t h i n g t h es p a t i a lf i l t e r s h a v eb o t ha na l m o s ti d e a lf l a tb a n d p a s sa n dar a t h e rs t e e ps w i t c h i n gb e t w e e np a s s - a n d s t o p b a n d s ，a n dt h ea n g l e d o m a i nb a n d w i d t ho ft h es p a t i a lf i l t e r sc a nb et u n e db yc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so fr u g a t es t r u c t u r e s t h en e a r - f i e l ds i m u l a t i o n sc a r r i e do u tb yu s i n g t h ef i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i nt e c h n i q u ec o n f i r mt h ep o s s i b i l i t yo fa ne f f i c i e n tl i g h t s m o o t h i n g s e c o n d l y ，i no r d e rt oo v e r c o m et h ep o l a r i z a t i o n d e p e n d e n td e f i c i e n c yo fc o n v e n - t i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l ss p a t i a lf i l t e r s ，w ep r o p o s eap o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n ts p a t i a lf i l - t e rm a d ef r o mo n e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l sc o n t a i n i n gn e g a t i v e i n d e xm a t e r i a l s t h r o u g ho p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so fd e f e c tl a y e r , as e r i e so fp o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n t d e f e c tm o d e si nt h ez e r o a v e r a g e - i n d e xg a po ft h ep h o t o n i cc r y s t a l sa r eo b t a i n e dw i t ht h e i n c r e a s eo ft h ei n c i d e n ta n g l e b a s e do nt h e s ed e f e c tm o d e s ，l o w 一，h i g h a n db a n dp a s s s p a t i a lf i l t e r sa r ed e s i g n e d t h es p a t i a l f r e q u e n c yb a n d w i d t ho ft h es p a t i a lf i l t e r sc a nb e a d j u s t e db yc h a n g i n gt h ep e r i o dn u m b e ro ft h ed e f e c t i v ep h o t o n i cc r y s t a ls t r u c t u r e s t h i r d l y , g e n e r i cc o n d i t i o n so fp o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o n si no n e d i m e n s i o n a l m a g n e t i cp h o t o n i cc r y s t a l sa r ed e r i v e d ，a n dt h es t r i c tp o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tl o w p a s s s p a t i a lf i l t e r so f p h o t o n i cc r y s t a l sa n d w i d e ro m n i d i r e c t i o n a lp h o t o n i cb a n dg a pa r ea c h i e v e d i ti sf o u n dt h a tp o l a r i z a t i o n - i n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o ni nc o m p l e t ep h o t o n i cc r y s t a l si so b - - t a i l l e dw h e nt h er e f r a c t i v ei n d e xa n do p t i c a lt h i c k n e s so ft h et w ol a y e r sa r et h es a m ea s i l l 川期性人t 微结构介质的宅问滤波特性研究 w e l la st h ew a v ei m p e d a n c e sa r et h em u t u a l l ) , r e c i p r o c a l w h e nt h et w oc o m p l e t ep h o 一 t o n i cc r y s t a l ss a t i s f y i n gt h ea b o v er e l a t i o n sc o n s t i t u t et h ep h o t o n i cq u a n t u mw e l ls t r u c - t u r e ，t h ep o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o nc a nb ea c h i e v e d w h e na d e f e c t i v el a y e r w h o s ew a v ei m p e d a n c ee q u a l st o1i si n t r o d u c e d ，t h ed e f e c t i v ep h o t o n i cc r y s t a l sa l s oh a s t h ep o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tt r a n s m i s s i o np r o p e r t i e s f i n a l l y , t h ef i l t e r i n gp r o p e r t i e so fo n e - d i m e n s i o n a lq u a n t u m 。w e l ls t r u c t u r e s a g er e 。 s e a r c h e d ，a n dt h es y m m e t r i c a lc o n f i n e ds t a t e sa r ef o u n di np h o t o n i cq u a n t u m w e l ls t r u c t u r e sw i t hs i n g l e n e g a t i v em a t e r i a l s t h en u m b e ra n df r e q u e n c i e so ft h es y m m e t r i c a lc o n f i n e ds t a t e sc a nb et u n e db yv a r y i n gt h ep e r i o dn u m b e ra n dt h i c k n e s s e so ft h ew e l lp h o t o n i cc r y s t a l ，r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t hp r e v i o u sc o n f i n e ds t a t e so fp h o t o n i cq u a n t u m w e l ls t r u c t u r e sb a s e do nt h eb r a g go rz e r o a v e r a g e i n d e xg a p ，t h ec o n f i n e ds t a t e so ft h e s t r u c t u r e sa r el e s ss e n s i t i v et ot h ei n c i d e n ta n g l ea n dp o l a r i z a t i o n t h es t r u c t u r e so p e na p r o m i s i n gw a y t of a b r i c a t es y m m e t r i c a l l yt u n a b l ea n do m n i d i r e c t i o n a lm u l t i c h a n n e lf i l - t e r sf o rf u t u r ed e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l s n e g a t i v e i n d e xm a t e r i a l s ；b a n d g a pp r o p e r t i e s ；d e f e c t m o d ep r o p e r t i e s ；s p a t i a lf i l t e r i n g 蹲十学位沦文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书 i 摘要 a b s t i 乙蛇t ：i i i 插图索引v i i i 第l 章绪论1 1 1 选题背景与意义1 1 2 周期性人工微结构介质及其应用 2 1 2 1 人工微结构介质的概念及其发展历程 2 1 2 2 人工微结构介质的实现 3 1 2 3 人工微结构介质的潜在应用 7 1 - 3 周期性人工微结构介质的空间滤波特性研究进展 9 1 3 1 光子晶体的空间滤波特性9 1 3 2 含负折射率材料光子晶体的全向滤波特性1 2 1 3 3 含单负材料光子晶体的全向滤波特性1 4 1 4 本文主要内容及基本框架1 7 第2 章周期性人工微结构介质中电磁波传播的基本理论和数值计算方法1 9 2 1 引言1 9 2 2 周期性人工微结构介质中电磁波的传播2 0 2 2 1 负折射率材料中电磁波的传播2 0 2 2 2 光子晶体中电磁波的传播2 2 2 3 周期性人工微结构介质的常用数值计算方法2 4 2 3 1 传输矩阵法2 4 2 3 2 时域有限差分法2 7 2 4 小结3 2 第3 章r u g a t e 结构的低通空间滤波特性及其光束平滑应用3 4 3 1 引言3 4 3 2r u g a t e 结构模型及其带隙的空间特性分析3 5 3 3 低通空间滤波器的设计及其在光束平滑中的应用3 8 3 3 1 低通空间滤波器的设计3 8 3 3 2 在光束平滑中的应用4 0 3 4 小结4 1 v 川期性人t 微结构介质的空问滤波特性研究 第4 章含负折射率材料一维光子晶体的偏振无关空间滤波特性4 2 4 1 引言4 2 4 2 结构模型。4 2 4 - 3 偏振无关低通空间滤波器4 3 4 3 1 含负折射率材料光子晶体的偏振特性分析4 3 4 3 2 偏振无关低通空间滤波器设计4 5 4 4 缺陷层参数优化及其偏振无关空间滤波器4 7 4 4 1 光子晶体缺陷层的参数优化与缺陷模偏振特性4 8 4 4 2 偏振无关低通、高通、带通空间滤波器设计4 9 4 5 小结5 2 第5 章一维磁性光子晶体中偏振无关传输的一般性条件5 3 5 1 引言5 3 5 2 结构模型与基本理论5 3 5 3 一维磁性光子晶体中偏振无关传输的条件推导5 5 5 3 1 一维完整光子晶体结构5 5 5 3 2 光量子阱结构5 7 5 3 3 含单缺陷层的光子晶体结构5 8 5 4 偏振无关传输条件的应用5 9 5 4 1 全向带隙的扩展6 0 5 4 2 偏振无关低通空间滤波器6 2 5 5 小结6 3 第6 章一维量子阱结构的全向对称可调谐滤波特性6 5 6 1 引言：一6 5 6 2 结构模型j 6 5 6 3 数值结果与讨论6 8 6 3 1 多通道对称滤波特性6 8 6 3 2 全向滤波特性7 0 6 3 3 滤波频率的可调特性7 l 6 4 小结7 2 结论与展望7 4 参考文献7 6 致谢8 9 附录a ( 攻读学位期间发表与待发表的学术论文目录) 9 0 附录b ( 攻读学位期间参与的相关课题) 9 1 博十学位论文 插图索引 1 1 y a b l o n o v i t c h 制作的三维光子晶体 4 1 2 层与层堆垛方法制备的光子晶体 5 1 3 通过沉积单分散的s i 0 2 胶体颗粒得到面心立方f c c 结构 6 1 4 s m i t h 等人做出的实验样品 6 1 5 光在负折射率人工微结构介质中的两次成像8 1 6 实现物体对特定频率电磁波的隐身：8 1 7 基于多层薄膜和直角棱镜的空间滤波器 9 1 8 自准直效应的等频线分析图1 0 1 9 基于负折射率光子晶体空间滤波器对点源的滤波仿真 1 1 1 1 0 带边随入射角变化的带隙结构图1 3 1 1l 不同入射角不同偏振情况下的传输谱1 4 1 1 2 带边随入射角变化的带隙结构图 1 5 1 1 3 缺陷模式在光谱的位置图1 6 1 1 4 不同入射角下的传输谱 1 7 2 1 逆的多普勒效应及契伦可夫辐射示意图2 l 2 2 正折射率材料与负折射率材料界面的负折射 2 2 2 3 光在不同界面上的反射场和透射场2 5 2 4 f d t d 离散中的y e e 元胞2 8 3 1 半高斯边带r u g a t e 结构的折射率分布3 5 3 2 半高斯边带r u g a t e 和传统多层膜结构的传输谱比较 3 6 3 3 高斯边带r u g a t e 结构的折射率分布及其传输谱3 7 3 4 不同归一化中心频率的低通空间滤波器的透射率随入射角的关系图 3 8 3 5高斯光束激励下角域带宽a 0 = 3 5 。的低通空间滤波器的光场分布 3 9 3 6 “脏”光束通过不同角域带宽的低通空间滤波器的传输情形4 0 4 1 含负折射率材料的一维光子晶体结构图4 3 4 2 不同入射角和偏振下的含缺陷光子晶体( a b ) a c ( b a ) 8 传输谱4 4 4 3 不同缺陷层物理厚度时，( v t e v t m ) 即m 及缺陷模频率的变化图4 5 4 4 不同入射角和偏振下的含缺陷光子晶体( a b ) 8 c ( b a ) 8 传输谱 4 5 4 5 基于偏振相关和偏振不敏感缺陷模的空间滤波器传输特性比较4 6 4 6 不同周期数时，低通空间滤波器的透射率随入射角的关系图 4 7 v 周期性人丁微结构介质的宅问滤波特性研究 4 7 不同角度入射时，低通空间滤波器( a b ) 8 c ( b a ) 8 的空间分布 4 8 不同损耗因子条件下，空间滤波器的透射率随入射角的关系图 4 9 不同偏振缺陷模的相对误差均方根r m s ( ( v t , e 一蜥m ) 即 ，) 等值线图 4 1 0 不同入射角和偏振下的含缺陷光子晶体( a b ) 6 c ( b a ) 6 传输潜 4 1 1 含缺陷光子晶体缺陷模频率对入射角和偏振的依赖关系 4 1 2 中心频率为0 5 8 1 8 g h z 的空间滤波器透射率随入射角的关系图 4 1 3 中心频率为0 6 7 6 4 g h z 的空间滤波器透射率随入射角的关系图 4 1 4 中心频率为0 6 6 8 0 g h z 的空间滤波器透射率随入射角的关系图 5 1 一维磁性光子晶体的三种典型结构图 5 2 一维完整磁性和非磁性光子晶体的传输谱 5 3 含色散损耗磁性材料一维光子晶体的传输谱。： 5 4 一维磁量子阱的两种结构在不同入射条件下的传输谱 5 5 一维含单缺陷磁性光子晶体结构的传输谱 5 6一维传统和磁性光子晶体的带隙宽度随入射角的变化图 5 7 参数调整后一维磁性光子晶体带隙宽度随入射角的变化图 5 8 两种偏振无关低通空间滤波器的透射率随入射角变化的关系图 6 1 z e r o o o e f f 带隙宽度随两种单负材料的厚度比的变化 6 2 一维光量子阱结构( a b ) n ( g d ) m ( b a ) n 模型 6 3 三种类似光量子阱结构的传输谱 6 4 三种类似量子阱结构的光场分布图 6 5 束缚态在两种偏振不同入射角条件下的三维传输谱 6 6 在不同入射角条件下束缚态对偏振依赖关系比较： 6 7 束缚态相对于阱光子晶体厚度的依赖关系 v i h 0 9 0 9 9 o 0 l l 2 4 6 7 8 9 o l 2 6 7 8 9 o 1 2 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景与意义 本论文研究工作来源于国家自然科学基金项目“负折射介质中超短脉冲的 传输特性研究”( 编号：1 0 6 7 4 0 4 5 ) 、“负折射率介质中光束的反常传输特性研 究”( 编号：1 0 8 0 4 0 2 9 ) 和8 6 3 计划项目“高功率激光非线性传输的空间特性控制 研究”( 编号：2 0 0 7 a a 8 0 4 0 0 3 ) 。 滤波器按所处理的信息序列分时间滤波和空间滤波两类，空间滤波的目标对 象是空间场( 即空间线度或角度的函数) ，而不是时间滤波的对象时间序列( 即 一维时间函数) 。传统的光学空间滤波器【l 2 】一般由两个正透镜和一个滤波小孔 组成，两透镜共焦，滤波小孔置于此公共焦点，输出透镜的焦距长于输入透镜， 光场的输入和输出面分别在输入和输出透镜的前焦面和后焦面上。这类空间滤波 器在图像增强、信息处理和激光技术方面有着广泛应用，它的作用主要总结为三 个方面：( 1 ) 低通滤波特性，将空间频率较低( 相当于平行于光轴) 的光束聚焦， 而高的空间频率干扰光束被小孔挡掉，从而去除最快增长等的有害频率成份，实 现低通滤波功能，有效地去除光在传输过程中由于衍射或非线性效应产生的高频 调制，因此能有效地改善系统的光束质量。( 2 ) 利用4 f 系统的成像特性，实现像 传递，以减小光场由于衍射而引起的畸变；能大大减少光在系统中传输的有效距 离( 中继成像作用) ，从而大大抑制了光的衍射效应。( 3 ) 利用望远镜系统的扩 束作用，实现光束的扩束，这是高功率激光系统多级放大所必须的，在有效提高 系统光学元件能量负载的同时，也大大提高了系统的输出功率和聚焦功率。很明 显，这种空间滤波器在工作时需要利用光学透镜的聚焦特性。 到目前为止，传统的聚焦型真空条件下的空间滤波器存在一些不足1 3 4 1 ， 如：( 1 ) 虽然这种空间滤波器对非线性效应的高频分量有所抑制，但是有时会把一 些有用的中低频分量也随之滤除；( 2 ) 空间滤波器的截止( 带边) 空间频率不能超 过自由空间的空间频率，也就是不能聚焦近场分量；( 3 ) 对大型的激光系统来说， 这种需要在真空条件下工作的空间滤波器占据特别大的空间，不便于工程上操 作；( 4 ) 受多程放大器结构等因素的限制，无法增加空间滤波器的级数以进一步降 低b 积分值。因此，有必要寻求新的方法，探索研究非聚焦型、非真空工作的 低通空间滤波器。为此，人们提出基于干涉规律【5 1 、液晶【6 1 、共振光栅系统【7 8 】 等来实现即插即用、薄层型空间滤波器的思想。 近年来，以光子晶体和负折射率材料为代表的周期性人工微结构介质研究发 展迅速。这些周期性人工微结构介质是利用普通材料人工设计结构组合而成的， 周期性人t 微结构介质的空问滤波特性研究 具有天然材料所不具备的超常物理性质的复合电磁材料【9 - 1 1 1 。从本质上说，它们 更是一种新颖的材料设计思想，通过结构的设计来突破某些表观自然规律的限 制，从而实现超常的材料功能。随着这些人工微结构介质的制备成功，迅速掀起 了周期性人工微结构介质的研究热潮：光子晶体分别在1 9 9 8 年、1 9 9 9 年、2 0 0 6 年三次被美国权威杂志( ( s c i e n c e ) ) 列为“十大科学进展”：负折射率材料也分别在 2 0 0 3 年、2 0 0 6 年被( ( s c i e n c e ) ) 杂志列为“十大科学进展”。关于周期性人工微结 构介质的滤波特性研究方面已取得了一些进展，基于各向异性介质【3 l 、多层膜和 棱镜组合1 1 2 1 、光子晶体【4 m 1 6 1 等来实现即插即用、薄层型空间滤波器的思想被 提出。但相对于传统的光学空间滤波器，周期性人工微结构介质的滤波特性研究 可以说才刚刚拉开序幕，仍有大量的问题值得研究。 本论文针对传统聚焦型( 4 f 系统) 空间滤波器的不足，开展新型平板即插即 用型( 非聚焦型) 空间滤波器的探索研究，重点研究周期性人工微结构介质的空 间滤波特性，提出了实现偏振无关、工作频率可调谐、全向滤波等的解决方案， 为下一步构造具备实用功能的即插即用型空间滤波器打下理论基础。 本章首先介绍周期性人工微结构介质的概念及其发展历程；然后从光子晶体 的空间滤波特性、含负折射率材料光子晶体全向滤波特性、含单负材料光子晶体 的全向滤波特性研究现状三方面全面阐述周期性人工微结构介质的空间滤波特 性；最后给出本论文的研究目的和主要内容。 1 2 周期性人工微结构介质及其应用 1 2 1 人工微结构介质的概念及其发展历程 本文将对于包括光子晶体和负折射率材料在内的周期性人工微结构介质的滤 波特性及其应用进行若干研究和探索。接下来本节将简要介绍一下光子晶体和负 折射率材料等人工微结构介质的概念及其发展历程。 光子晶体又称“光学半导体”，是一类晶格单元与入射波长具有同一量级的周 期性介电结构的人工微结构介质，最显著的特点就是对应有光子带隙( p h o t o n i c b a n d g a p ) 。这一概念是y a b l o n o v i t c h 和j o h n 两位美国科学家于1 9 8 7 年分别依据自 己的研究角度提出的，前者是从抑制自发辐射的研究中提出了光子晶体概念【 】， 而后者从光子局域化方面提出的d s l 。自光子晶体概念提出后，有望与半导体类似 能给光子技术带来广泛地应用前景，两位科学家关于光子晶体的研究工作迅速获 得了世界各国科学家的强烈回应，光子晶体的研究进入了迅猛发展的阶段。随后 关于光子晶体的研究迅速取得了多方面的进展，光子晶体也被( ( s c i e n c e ) ) 杂志于 1 9 9 8 年和1 9 9 9 年连续两年列为了世界的“十大科学进展”，并且( ( s c i e n c e ) ) 杂志 还将光子晶体预测为未来的六大研究热点之一。接着后来的几年里，当光子晶体 博 ：学位沦文 领域轰轰烈烈的研究热刚刚趋缓的时候，2 0 0 6 年底( ( s c i e n c e ) ) 杂志又再次将光子 晶体预测为未来的热点自然科学研究领域。 与光子晶体自诞生起就引起了广泛的关注相比，另一类周期性人工微结构介 质负折射率材料从提出迟迟得不到发展。负折射率材料是指在某些频段范围内同 时具有负的介电常数和负的磁导率的材料。负折射率材料的概念最早由前苏联物 理学家v e s e l a g o 于1 9 6 8 年从理论上预言和提出1 1 9 ，但至今都没在自然界中找到 天然的负折射率材料。因而该概念提出后近4 0 年间，关于负折射率材料的研究 几乎没有任何进展。直到2 0 0 0 年，s m i t h 等人利用细导线阵列与s r r 阵列的合 理组合制作了负折射材料，并通过对负折射材料的双负特性以及负折射现象的验 证宣告了负折射材料确实制备成功1 2 0 1 ，从此迅速掀起了关于负折射材料的研究热 潮。2 0 0 3 年( ( s c i e n c e ) ) 杂志将负折射率材料列为“十大科学进展”；2 0 0 6 年，由于 利用与负折射率材料的相类似设计方法构造的梯度人工微结构介质成功实现了“隐 身斗篷”的功能，负折射率材料又一次被( ( s c i e n c e ) ) 杂志将其列为了当年的“十大 科学进展”。近年来，关于周期性人工微结构介质的研究也开始拓展到单负材料 和各向异性的负折射材料领域。单负材料指介电常数和磁导率两者中只有一个为 负的材料【2 1 - 2 3 1 ，包括负介电常数材料和负磁导率材料，电磁波不能在它们当中传 播，但将它们合适组合也发现了许多常规材料所不具备的性能。还有，由于当前 实验制备的负折射率材料大多都是各向异性的，因而最近也有大量研究者开始关 注各向异性负折射率材料中的电磁波传输特性1 3 2 4 1 ，并得到了许多与各向同性负 折射率材料不一样的特性。 进一步总结发现包括光子晶体和负折射率在内的周期性人工微结构介质具有 3 个最基本的特性：通常是由普通材料人工组合而成的复合材料：具有普通材料 所不具有的超常物理特性；独特性能往往取决于其中的人工结构，而不是组成人 工微结构介质的材料的本征性质。因此，周期性人工微结构介质从根本上说只是 一种新颖的材料设计思想，该思想的核心就是通过对普通材料进行结构设计来突 破常规材料所遵循的自然规律的限制，从而实现超常的介质功能。 1 2 2 人工微结构介质的实现 1 光子晶体的制备 光子晶体理论的研究己趋于成熟，为光子晶体的实验制备提供了设计思路和 发展方向，所以近来研究工作主要集中在光子晶体新特性及新应用的开发上，制 备方法的研究自然也成为了光于晶体发展中的热点和关键。利用传统的镀膜方法 和紫外光刻写技术可用于制备一维共振光子晶体结构。对于二维或三维结构，使 用最多的制备技术是微机械钻孔、层层叠加技术、电子束刻蚀、激光直写、自组 织生长和全息光刻。归纳总结这些光子晶体的制各方法，大体上分为两大类：微 周期性人工微结构介质的空间滤波特性研究 机械加工技术( 物理方法) 和自组装方法( 化学方法) 。 微波波段光子晶体的晶格常数都是厘米至毫米量级，可以用微机械钻孔的方 法来实现制备。二维光子晶体的微机械打孔主要有两种方式：长波长光子晶体可 借助上下两个带孔的薄片来排列固定介质柱，从而用薄片孔的布置来调控了其结 构排列；而短波长光子晶体多通过在半导体基片上打孑l 的方式来制备。自从a m e s 实验室的研究人员h o 等人1 9 9 0 年第一次从理论上设计了金刚石结构的光子晶体 具有很大的光子带隙【2 5 1 ，人们开始实验上寻找金刚石结构的光子晶体。1 9 9 1 年 y a b l o n o v i t c h 研究团队利用机械钻孔方法制备出了世界上第一个具有完全带隙的 光子晶体结构，验证了h o 等人的设计 2 6 2 7 1 。具体如图1 1 所示，其光子带隙位 于微波区域，为1 0 g 一1 3 g h z 。当光子晶体波段由微波转向红外和可见光范围时， 其对应的光子晶体晶格常数将更小，因而就需要足够小的孔才能保证其精度，这 将为用这种方法制备红外和可见光范围的光子晶体迎来了巨大挑战。而对这样的 图1 1y a b l o n o v i t c h 制作的三维光子晶体【2 6 1 挑战，h o 提出了不需打孔的层与层堆垛( 1 a y e r - b y l a y e r ) 方法【2 8 2 9 】，如图1 2 所 示。1 9 9 4 年m i t 的f a n 等人利用改进后的l a y e r - b y 1 a y e r 方法提出了设计亚微米 尺寸光子晶体的实验方法【3 0 1 。随后在1