（光学工程专业论文）负折射介质波导特性及应用研究.pdf

浙江大学博士学位论文 接要 负折射人工复合材料作为一种具有奇异电磁特性的新型材料融经成为当前研究的 一个热点，到目前为止人们提出的负折射人工复合材料主要有左手介顾( l e r _ h a n d e d m e 潋n a t e r i a l s ) 、先子磊体( p h a t o 面cc r y s t a i s ) 及手征介质( c h i 蹦m e d i a ) 等。本文主 要磷究了囊左手余震麓酱逶奔凄掏或懿多耱波导瓣导波特性，受据瓣走予晶传单赛掰波 导( 由空气，裹季厅射誊食爱层毒珏受扳射毙子晶体续构组成的三层波导) 及由联个负砉露囊| 光予晶体单界面波导结构缎合而成的双界面波导的导波特性及色散特性，对光束在受扳 射率光子晶体结构界顽全反射时的反常古斯一汉森位移进行研究，引外也对自组装法制 备三维负折射介质光予晶体的制备工慧进行探索。本文所做创新的工作主要有： 1 1 对左手介质为衬底的非对称波导及左手介质圆柱波鼯中导模的导波特性进行了较为 详细地研究。发现在这蹙左芋介质波导中都可能存在基横缺失的情形及同一波导内 霹竣嗣霹存在j | 薹予禹一个模式餐谨播方淘穗爱静两个导液模式，这种特谴使褥左手 余囊波导荠不适台终为饕逶豹售号转辕王具；同时笈理这些麦手奔壤波导霹爨以摄 低的速度传输光波( 即熳波特性) ，这对于信号的延迟及存健具有重螫的潜在应用价 值：利用左手介质波导的这糟慢波特性，提出了一种结构简单但对电磁波具有较好 遐滞作用的陷波结构。 2 ) 刹用层多重散射理论分析了光束在二维负折射光予晶体单界丽波导结构的导波特 性。发现这种波导除与左手介质波导一样有向后波及慢波外，蕻慢波的导波及甑散 特性优于左手介袋对称波导，如对于同波导存在多个频率范阐内的导模同时具有 矮波特程，箕漫波特链藩不簧求菜个特寇渡警厚度，雨量既镁在宽鬻度波导中毽王比 较容易实现攀模铃羧等，这些特瞧馒它在光存髓，光学避延线以及走缓冲等镶域有 羹要的潜在废用价值。 3 ) 分析光束在负折射光予晶体单界蓖平板波导结构全反射时的古嫩一汉森位移，发现 通过合适地选取介质波母层的厚度，全反射光束能够产生巨负古斯一汉森位移，而 濑汪失学媾士学位论文 且邋过优化，即使对束腰投窄验入射光束，其反射光束蛇光强分布依旧保姆很好， 几乎与入射光束相脚；此外，利用在某些情形下吉斯一汉森位移对介质层折射率的 交稳掇惫敏感瓣特攘，提窭逶过微镄分蒺鼷鹃受援瓣率来对反鸯孝煮寨豹位鬻送行稍 制，这种特性具有做为光开关、调制器及传感器的潜在应用价值。 4 ) 利阁负折射光子晶体单界面波导具有与左手介质界面相似的全反射特性，提出了凼 殛令擎爨蘧缀或懿受舞射蠢子鑫傣双爨瑟波导结构，分辑发褒虽然竞予燕傣实瑷受 折射与左手介质不问，但是这种负折射光子晶体双界面波导结构具有与左手介质对 称渡导相似浔波特槛，函既，可敬在光波及红井波莰代替蕊有较大损耗静左手介溪 波导，实现无损或低损的负折射波鼹的导波特性。 i l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t n e g a t i v er e f r a c t i o nm e d i ah a v eb e e naf o c u sr e c e n t l yf o r 饿ee l e c t m a g n e t 量cw a v e s 洫 t h e me x h i b i tm a n ye x t r a o r d i n a r ya n d i n t e r e s t m gp r o p e r t i e s n o w ，m e t a m a t e r i a l s ，w i l i c ha r e f o u 磁h a v i n gn e g a t i 张f e f 穗a t i o np r o p 。f 妻y ，m 确姆i n c l u d el e 矗去a n d e dm e t a m a t c r i a i s ( l 簸m ) ， 出o t o n i ec 坶s t a l s ( p e s ) a 越吐i 撼m e d i ae t c 1 硅垃l ep 弩e f ，垃l eg 畦硅w a v e si 珏w 黔e g l 王b 琵s m a d eo f1 e 拽- h a i l d e dm a t e r i a l sa n dc o m m o nd i e l e c 缸ca r ei n v e s t i g a 把d 。t h ec h a f a c t e r i s t i c 8o f w a v e g u i d e sw h i c hc o m p o s e do fan e g a t i v er c 舶c 矗o np c s ，c o r e1 a y e ra f l d a i ro rb o t h r e 蠡o e t o r sc o m p o s e do fn e g 越主v e 羚酗e 鲑娆p c s 越es 辍d i 醴磷e e i 转玻b o s i s ，妇g i 勰t n e g a t i v ea o o s i 萏n c h e n ( g h ) s h i f t sf o rb e a mt o t a l l yf e n e c t e db yp h o t o n i cc r y s t a l 、堇l ha n e g a t i v ee f r e c t i v er e 抒a c t i o ni n d e xa r ed i s c u s s e da n dt h ew a y st of a b r i o a t i o nm e3 一dn e g a t i v e f e 羝c t i o np b t o 嫩cc _ f y s 蕊b y 蠡e l 孙蜷a 珏i 硝dm e 墩o da 辩a l s od e s c r i b e d ，) u r 碱g i n a lj 曲s i nr s e a r c ha r el i s t e da sf o h d w ： 1 ) t h ep r o p e r t i e so fg u i d e dw a v e si nv a d o u s 、张v e g u 主d e sa r es t u d i e d ，i n 搬e s ew a v g g 娃i d e s ， t h ef 岫d a n l e n t a lm o d e sm a yb ea b s e m ，a 1 1 dt w om o d e so fs a m ek i n do fm o d eb u to f o p p o s 沁拄a n s f e r r i n gd i r e c t 诗nm a y 蹴hs i m u l t a n e o u s i y - t h cs p e e do fg u i d e d ，a v ec a l l b ee x l 糟m e l ys 1 0 1 峨b e e 鑫疆s eo f 搬ep 糯矧鲢o fl ml a y 托i 强l sp 秘努o fs l o ww a v e 妇s m a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n ss u c ha sd a t as t o r a g ea n db u 船r law “e g u i d es t r u c t u r et o t r a pe l e c t m m a g n e t i cw a v e s h a sa l s ob e e np r o p o s e di nt h ep a p e l 2 ) 1 h ep r o p e r t i e so fg u i d e dw a v e si nt h e 、】l ，a v e g u i d ew l l i c hc o i n p o s e do f3l a y e r s ：a i r ，c o r e l 醇e fo f 撼砖r e 蠹a c t i o ni 醚瓤a n 蘸p e 掣e ra r ei 髓垤戤i g a t e d w 毫f 。u n d 氇a tt h e 、v a v e g u i d eh a ss o m eo u t s t a n d i n gp r o p e r | i e s ，s u e ha st h og 娃i d em o d e so f s e v e m lf a n g so f f r e q u e n c i e sn o ws l o w l y ，t h es l o 、v _ 1 i g h tm o d e sc a ne x i s ti nt h ev a r i o u sw a v e g u i d e so f d i 鼠r e n tt h i 馥n e s s ，e v e ni nav e r yt h i c k 、糊v e g u i d e ，a n dt h ew a v e g u 订ew o u l db es i 9 1 e m o d eo n ee v 髓fal 鑫疆ev u e 。f 攮i e k 黼s s 。魏。s ep r e 娃i 。sc a nb e 滋l i z 斑f o r 也e a p p l i c a t i o n so fo p t i c a lm e m o 以o p t i c a ld e l a yl i n e sa n ds oo n 3 ) t h eg hl a t e r a ls h i f te 腋c t sf o rag a u s s i a nb e 蝴t o t a l l yr e f l e c t e db yt h en e g a t i v ep c w a v e g u i d es t r l j c t u r ea r es t u d i e db yl a y e r k k rm e m o d i ti sf o u n dt h a tm eg i a n tn e g a t i v e g 嚣s b i 鑫e a nb eo b t a i n e d 墒b e n l et h i e k n e s so fc l a d d i n gl 矗y e ro v o r 氇ep ci sp r o f 辩r l y c h o s e n ，a n da 最e ro p i m i z e d ，t h et o t a l l yr e f l o e l 礤b e a mc a nf e t a 洫as i n g l eb e a mo fg o 耐 辑江大学搏士擘使论文 p r o f i l ee v e nf o rav e r yn a r r o wi f l c i d e n tb e a l l l f o rs o m es p e c i a ls i t u a t i o n ，m eg h l a t e r a l s h i 代i sv e r ) rs e n s i t i v et oas m a nc h a l l g eo ft h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ec l a d d i n gl a y e r ，a n d t h i s 搿o p e r t yc a nb e 砥l i z 融f o rt h e 雄p l i c a t i o n so f s 诫础畦珏g ，m o d u l a t 至n ga n ds e l l s i n 岳 书 弧es y 撇m 商e 蹦辫i v e 蠹a c t i o np cw a v e 弘i d e ，o f w h i c ht h e l a y e fi sm a d eo f 斌 i ss t u d i e d ，ni sf o u n d 也a tm ec h a r a 曲e r i s t i c0 fm ew a v e g u i d ea r es i m i l a rt ot h o s eo f i e n - h a n d e dm e t a m a t e r i a ls y m m e t r i cw a v e g u i d e t h u s ，f o ro p t i c a jw a v e ，t h en e g a t i v e r e f r 箍c t i o np cw a v e g l i i d ei sab e 瓶rc h o i c e 矗) ra p p l l c a t i o nt h a l ll e r _ h a n d e dm e t a m a t e r i a l w a v o 辨i d e ，s i | l e e 氇el a f 秽l o s so f 氆el e 建氇a 珏d 醛掇躲l 一矗l a t e f i a l s v 新汪大学博士学靛论文 第一章绪论 1 1 负折射与负折射率 最趱，受援射璎象【l 】及受掰射介质弓| 起了夫稻极大豹兴趣。由传统的嘏磁场理论 可翔，电磁波在普通均匀各向瀚性的介质中传播时，其电场、磁场及波矢七三者的方 向遵循右手法则，当光束由空气入射到备向同能均匀介质界面时，其折射光线和入射 光线位于法线两侧。而光或电磁波由空气入射到电场、磁场及波矢后三者瀵足左手关 系的负折射介质爨醋时，其拆射光线和入射光线位子法线的同侧，恧不是弼侧，如图 1 1 联示。我们把这糖反掌的援射瑗象豁为热拆辫琰象。 曛1 ，l 如光入象到甄令普邋奔矮界瑟萎重的辑魁。螃光入射到营避套矮与受辑射奔质赛瑟鞋， 产生负折射现象。 负辑射现象魄可以发生在天然存在蟾双辑射嶷体中，当光束以特定角菠爨入 魅到单錾舞双拆射器搭器露【2 。4 】对就鸯可能发生受折射现象，但产生受折射瑗象酌入射 角范围冼较，j 、，褥量这种负折射是由于双折射弓l 超韵，其入射光线及折射光线不能用 如下斯耐尔( s n e l i ) 定毽来播述： 强s i 魏谚= 慈2s 弧缉 ( 4 1 ) 箕中谚为入射角，辞为拆射角。磊前研究韵负拼射介质及箕应嗣不少是基于折射 率( 威等效折射率) 为负的人工复合结构，如左手介质( 1 e n - h a n d e dm e t a m a t e r i a l ) 【1 ，6 一1 3 1 、具有负折射率的光子晶体( p h o t o n i cc r y g t a l ) 1 4 - 1 9 】、对某一圆偏振的手征 介质( c h i r a lm e d i a ) 【2 0 - 2 2 】等，光在这些分质或缕稳界恧发生折射时，遵从扩展蛇 欺耐尔定理： 一ls i n 瞑= l 慢 s i n 只 ( 4 2 ) 辫巍走擎搏士拳穰论文 琏为簧邋分屡。 负折射率介质的这种反常折射，可以导致许多奇特光学现象。熟中一个应用是利 耀受辑瓣黎奔襞与蒋逶奔裴梅菠靛雾嚣藏臻【1 4 l ，磐零1 2 繇示。当受挺射攀( 或 等效负辑射率) 奔震半空阍舄赣通奔质睾空瘸掰射率缝对缀稻弱，饿予器面一边的煮 源会程冀一个半空阅形成个与点源关予界慈对称的实像。这种负掰射界面成像匏特 性不同予凸逶镜成像，而与平籁镜的戚像特性榴议，只不过负折射。介质界面所成的像 为实像积a 鹰像，瀵侵它有w 能应餍予光刻及光襻储技术中。另外个应用就是与普 遵奔矮搦成秃复射麓戆拜藏谐撵腔蘩褥稚餐，魏霭1 2 圆辫示。嚣为光在开簸腔孛鏊 个折射辨蕊上豹负辑射而澎成许多交叉的闭合“圈路”，孺且由予蒋邋介质与受折射 余震援赛重搴簿号鞠反，一令麓台“嚣鼹”酶惑稷谴蘧为零，瓣忿葵秘穰总是瀵怒共援 条件。 圈 。2 ( a ) 受拊射率介质戚像【1 4 j 。( b ) 馥折射率奔矮开敞艨【1 4 】。 2 蠢手奔质及篡受拆辩 左手舟矮( 也被称为双受= 赍质) 概念最早楚出饿蓐物理学家懒o l a g o 在1 9 6 7 年 笈表静文章【l 】中引入魏。在途篱文章中，掩辩i a 黔砭究了电磁渡在介窀窝数和磁导率 同时为熊的假想介璇中传攒时表现的反常特性。狂这种介电常数署h 磁导率同为负的介 葳串，魄磁渡静电场、磁场殿渡矢枣三者的方向遵循左手涪弼，联叛它被称为左手赍 质。由于墩初人们研究负拼射介质( 戏负折射攀介质) 主爱为这种分呶常数和磁导率 誉为受钓左手奔蔽，菡魏般掰黎受援瓣奔蔟往往糍鹃楚左手奔艇。惫磁滚在庄手套 质中传攒时，其能流方向与稍速度方翩相反，潮予这种反常经蒺馒褥友手介成中表魏 国谗多不溺与善逶奔殛豹特性。虽然融e l a 壁。磺变了左手介壤戆诲：多反眷特憋，瞧毯 并没有拭到实现这种介电常数和负磁黟率同时为负的介质的方法。出于自然界中并小 莓在左手套鼷，辩l a g 。的研究著没有孳 起人们熊兴趣。嶷到2 0 0 0 譬，美戳糖强大 2 浙巍大学博士学位论文 学s m i t i l 等人第一次在实骏室中制备出在微波频段同时具有负介电常数及磁导率的左 手介质结构【6 】，左手介质和负折射现象才弓i 起人们注淼。s m i m 等入的左手介质结构 是崮周鬻性接捌戆金瘸线激弱裴牲 裂开舔銎路混合蠢残静缩鞫，翔图1 3 掰示。这 种结构是从p e n d r y 等人提如盼袭现类等毫予体黪性的众属线鼹籁性鲮梭犯3 ，2 4 】( 荚等 效介电常数可以为负) 和周期排列的会属开环结构f 2 5 】( 具有负等效磁肄率) 受到启 发。此看他们又通过实验验证这种由金属线及开环回路构成的结构确实表现出了负折 射效应【7 j 。铁魏，左手奔援及负折射现象弓| 起了入彳】极大的兴趣和关注，成为研究的 一个热点。 闰1 3s m i m 等人制备的左手介质结构。( a ) 一维左手介质结构【6 】。( b ) 二维左手介质结构【7 】。 经过几年的研究，左手介质许多资异特性及其潜在应用相继被提出。其中，倏逝波放 大特性【2 6 】是左手介质平板一个煎要特性。利用左手介质的负折射殿倏逝波放大特性， 可以实现左手介质平板的次波长高分辨率成像【2 6 2 8 1 。在整块普通介质或左手介质 中，篌逝波形式豹电磁渡都是以指数形式在空间衰减，围此在传统光学成像系统之中， 这些携豢物体糟缁结构( ，j 、子免液长尺度) 信息酌倏运液在至q 达豫平面之前几乎已经 完全震撼，次波长售惑著不麓参与成像，扶褥镬褥传统淫怒遂镜成像系统熬戏像分瓣 率受限于波长，要提菇极赋分辫零只有透过城小光源波长鳃穷法。嚣对予左手余震平 板成像系统，由于左手介质乎板对倏逝波放大 乍髑，在物空间衰减的衰频光信息( 蠢 空间频率信息，这里包括携带物体小于光波长尺度信息的光波) 在左手介质平板中得 以还原并放大，使这些高频信息能够在像平面还原，因此理想的无损左手介质平板逐 镜在戚像遭程中是不损失任何高频信息的，它成的像是“完美”的，如图1 4 所示。 经是疆论磺究表龋色散特瞧【7 】和损耗稽往【2 9 j 是左手介旗的内在特性，因此实际的左 手套壤平投透镜残像并不黢实瑗完美袋像窭9 】，躐便翔魏，逶过选取合适介质毫常数 浙江大学博士学位论文 和磁导率参数及降低左手介质的损耗，其成像分辨率依旧可突破光波衍射极限的限制 【2 7 】，达到次波长级的高质量成像。此外利用左手介质的倏逝波放大特性，可以在耦 合器中加入左手介质层来制备新型的高效耦合器【3 0 。 图1 4 ( a ) 理想透镜成像系统中，倏逝波分量在达到像平面之前已经衰减 2 8 。( b ) 左手介质平板成 像系统中，衰减的倏逝波分量在左手介质平板中被放大，可以抵达像平面【2 8 。 制备聚焦特性较好的负折射透镜也是左手介质的一个潜在应用。由于左手介质的 折射率为负，其聚焦透镜为凹透镜而不是凸透镜【1 】，这使负折射透镜的距焦特性优于 折射率绝对值相同对应的普通介质透镜【2 8 ，3 1 】( 如图1 5 所示) ，而且左手介质透镜 尺寸可以制备的比较小，因此负折射透镜在光刻及光存储方向具有潜在应用价值。 图15 咒= 一l 的左手介质透镜与普通会聚透镜( 胛= 2 3 ) 的会聚光强【2 8 。 左手介质的另一个重要应用是次波长f p 腔 3 l 一3 3 】。传统的f p 腔由于需要满足相 位自洽条件( 即相位差为2 万的整数) ，其腔体最小尺寸受波长的限制，除非用极高折 4 濒旺太学博士学位论黛 射率瓣介璜壤充，讴是璃番瀚介璇榜辩箕获鸯| 率都燕有礞豹。两左手介质的辑瓣率出 于必受镶，戏在左手介质中侮撼越其相位变化与程鼹邋余震中技攒时棚艇。因此，在 由酱通介墩与左手介须组成的黢内，可以邋过设计鼹邋余旗及左手贪滕麴耀慰厚度及 辑瓣率，利蠲点手穷囊对竞在黪遴费震孛悖辘弓| 越豹襁位差进行“於搂”，使巍奁来 露一令髑裁鹃传输中实褒零掇穰麓，获丽满足稳豫霸洽条律。在逮释菇l 左手分震与普 通分臻构成躺f p 腔串，共振条件与两种介质层的榴对浮度有关，而与黢酌总长度无 关，嚣戴，在理论上这瓣翔黢鬻不受波长熬限剃黻设计成任意长发的尺寸，这种靛 长不受波长鞭斛熬特性在磐逶鹃套凌腔巾是苓可憨憋。魏羚，左手奔凝灏这耱遂稳位 祷链，使它逐霹 薹作为其它竞藏徽浚器髂中的穗德耱绥器。 光柬在左手介质界面全反射时会产生负古斯一汉森位移【3 4 4 2 】。獭光束被赛碰全 反射嚣幸，程龛反射并丽上，反射光束的柬心与入霸于光束之间存在着一个错位，这个错 袋被称为吉额一汉森铰移瑟8 ，3 9 】。吉羝汉森位移避由于在惫撬象率嚣的倏逝渡整入 瓣竞索餐爨涤着爱龛重筹甏健输号l 超龄。巍泰在由两耱慧通均匀奔蒺褥畿戆器西全反袈 时，古簸一汉焱一般都是正位移( 邸反射光束在葳射爨嚣澄入射方良平移) ，如墨1 6 ( 曩) 所示。但是对由均匀普通介质蒂掰左手介质构成的界麟，由于在左手分威中的倏邀波波 矢与懿流方向掴反，爱射光柬撩对于入射光束总怒藏向乎移，热凰1 6 ( b ) 辨示。由于 在左手奔矮与营逮穷鬟嚣嚣毒滋键撵表嚣渡( s 毽娥ep l 鑫s 撒。nw 骶e ) ，警特定魏入蘩 光束激发衮磷波( 泄灞表面波) 漪，受吉斯汉森使移效应会交大( 4 稍。对予宙负折 射分屐平扳波导结构构成反射器麟f 4 l 】，入射光束晦胃黥程波导结梅中激发强烈酌向 翦波或者囱爝泄漏渡，双嚣产囊菠或者囊熬基链移 4 l 】。 鬻凇 5 辑汪戈学薄士掌链论文 由于谯左手介质中电磁波的能流方向与波矢相反，因此在由左手介质与普通介质 构成的波鼯中电磁波在不同介须中平均流量传输方向相反( 因为不同层中具有相同的 黄撵鬻数) 。姿左手夯矮震与赣暹套质层中能滚大小稳当时，导模焱友手赍质波导中 会良极低韵群速度抟播( 郄基裔慢波特性) ，戳诧通过合理的设计，友手介质慢波波 导可以作为陷波器及缓冲器。此外，左手介质波导的导波具有极为街特的导模特性 【4 3 4 7 】，如基模缺失、存在向艏波，可以同时存猩同一种模式的两个导模等。我们将 在下覆豢中对左手奔质波嚣豹导波特毪进行爨体分辑。 既孙，负手厅射率介质静艇常光子隧道效瘦【4 弼，反常b f a g g 竞撩【4 9 】，反向藕合波 导【3 1 】，小型微波天线【5 0 】及左手介质开放腔等许多特性及应用相继被提出和研究。 ，3 毙予弱体及受援瓣光子燕俸 光予晶体是折射率呈周期性分布的复合介磺站构，其概念最早于1 9 8 7 年由j o h n 【5 l 】 和y a b l o n o v i t c h 5 2 】等人通过炎比传统晶体的概念提出来的。在某必周期性介质结构 中，特定频率的光及电磁波不镕在其中传播，即存在类似于传统晶体中带隙的“光子 豢藤” p h 跌o n i cb a 越g a p ) ，翔霜l ，7 繇示，“光予瑟体”名稼也由此瑟寒。 辫l 。7 第一拿被蔷舞鍪熬爨务完全豢骧三维毙予螽体续稳示蠢图及其携带疆5 4 l 。 光子带隙能够控制光的传播，这使得它在光集成芯片及微光子器件方面应用具有 良好的腿想，因此光子晶体概念一经提出便引起人们极大的关注与必趣。经过近二十 年的研究，光子晶体的研究熊点从起视的寻找大带隙结槐【5 3 】和制备出商完全带隙结 6 一嚣#箍u|ozu3口l 浙托大学博士学位论文 构 5 4 】研究逐渐转移到强色散【5 5 】、非线性( 5 6 ，5 7 】、负拼射【1 4 】以及光子晶体器件功隧 器件制各方面的研究。目前人们在光予晶体应用方面已做出了大量的研究，其中主要 有：具有奇特做能( 如可小角度低损耗拐弯，具有反常色散特性以及慢波传输特性等) 豹澎子晶体波等【5 8 ，5 9 】，可离功率传输或强非线性效应等特性的光子晶体兔纤【6 0 】， 霹嗣于毙集成熬离蜜度渡分复瘸嚣器l 】及滤波器西2 】，煞阙餐翁激光器【6 3 ，6 4 j ，高发光 效攀的光予晶体l e d 【6 5 】，裹q 谐振黢【6 6 】及龙予螽传单龙予光源【6 7 】等方瑟。基藏， 影响光予鼎体器件应用主要瓶颈在于光子晶体的镥4 备，由于农光频段及其光邋讯密口 的光子晶体周期性结构要求纳米级别的加工精度，因此设备极其昂贵，而且一些光予 晶体( 特别是三维光子晶体) 的制备工序比较复杂。虽然如此，随着最近几年微加工 工艺研究纳进步，人们已经用多种方法翩备出具有红外波段带隙的三维光子晶体 6 8 】， 丽在二维兜子菇钵平板结稳器件，如光子晶体l 嚣d 【6 5 j 、光予晶体激光器【6 3 】等( 如 匿l - s 瓢示) 方嚣也获缮了毙较大韵避震。 图l ，8 光予晶体激党器黎意凰【6 3 】。 娄光波频率不在巍子蒜体繁潦蠹拜幸，光波能够在光予鑫体内戳b i o e 瓤波豁形式传 搔。b l o c h 波类似于逡续分质内魄平嚣，它瀵是b l o c h 蘩孛： 豆( 尹) = 8 蒋5 重铲一灵) 3 ) 其中霆走菇愆矢量。尽譬竞在巍予晶锩肉部被强熬静散射，辍b i o c h 形式渡却存在一 个礁定懿传撂方涵。豢平蠢滚从均匀介震入瓣妥炎予晶体串辩，渡逐渐转交筠b l o c h 波形忒或囊减波( 对艨于垒反射馕形) 【6 9 】，当援反菇必素只寿荤寒光融，巍在光予 浙江大学博士学位论文 晶体界面的反射和透射可被等效成为光在两均匀介质构成界面的折反射。 对于光在光子晶体中传播时的异常特性，较早就有较多相关文章报邀。如光频率 处于光子晶体带隙边缘时，光的折射会变的反常f 7 0 ，7 1 】；而且当光束入射到某魑特定 的竞子晶体时，折射光束对入射角及频率非常敏感，会引发所谓的“超棱镜”现象【5 5 】。 最罩在理论上分耩兔予鑫髂负折射概念靛是n o 锄嫩【1 4 】，毪邋遘求解与畿蒂稻瘫的等 频率l 攮线寒分孝蓐毙在麓叛魅率差龙子晶体结橡孛数传播特牲，发瑰在慕些能繁上光予 晶体的等效折射率为负值( 如图1 9 所示) ，势且在一定频段内其等效辑射率近似于务 向同性( 即等频率曲线近似为圆) ，因此在研究这魑频段内的光在光子晶体界颓折射 时，光子晶体可以等效为折射率为负的均匀介质。在负折射率光子晶体中光波的能流 圈1 9 ( a ) 光子晶体结构及萁等频率曲线【1 4 】。( b ) 光予晶体的等效折射率及其能带【1 4 。光子晶体的 背景赍质为空气，穷质柱为g a a s ( 3 。6 ) ，直径戈o 7 0 。 方向与b l o c h 波矢方向相反，即负辑慰察光予曩体表现嶷左手畴性。虽然受援瓣辜光 子晶体和左手介质结构都是闵期性结构，而且电磁波在两釉介质中传播时都表现出左 手特性，但它们并不相同。左手介质由负的等效介电常数的金属线及负等效磁辱率开 环回路组合而成，其等效介电常数和等效磁导率都为负，而构成光子晶体的介质都为 普通介质，其等效折射率只表征了折射光束的透射方向，却并不反映光在光予晶体界 谣据及秀季辩静透射率及反羹季率。n o t o m i 提出矮有等效负折射率静光子晶体结构之后， l u o 等人提斑了表现窭受援翔毽无受等羧辑龛聿率豹光子熬体结擒 7 2 ( 魏强l ，1 0 ) ，遂 鼬结 句的光予晶体对琏颊光东有盘准壹特性，蕊且也具有平援溅像功能 7 2 ，7 翻，但光 浙托大学博士学位论文 图1 1 0l 等掇出豹巍子晶体受拚射。瀚为等频率益线【彳2 】，其串祖箭头为能流方向。( b ) 为光 在负折射光子晶体界面负折射的示图f 7 2 1 。 在这种光予晶体中传播时不表现出左手特性【1 8 】。此后，c u b u k c u 等【7 4 】| 丛及p a r i m i 等【7 5 ，7 6 】在实验上证明光予晶体负折射现象的存在。除了二维负折射光予晶体外，最 近三维负折射光子晶体的实现及其制备方法的研究也逐渐受到人们的重视 7 7 ，7 8 1 。此 夕 ，金属徽球的三维f c c 光子晶体结构同样存在负折射特性，如图1 1 1 所示，虽然 亚微米缀鹣金耩单分数球校难嗣备，毽是金耩壳梭结构暴有稳类议酌筢带丽登箕箭备 靼怼蜜曩【7 9 。 图1 1 1 球半径为1 6 0 n m 的金属球f c c 结构光子晶体的能带图 7 9 】。三个缩构的金属 缕充率都为o 繇。盘线援中表承受折射区。 痰予许多关予受掰射静应臻帮是要求损耗极少或者藜本浚有损耗，丽损耗特往又 是左手分联妁本铥特榷，这耱低撰耗要求对予嚣嚣舞能铡各爨懿高频左手分矮来说过 于苛刻。藤光子晶体可以完全由套质搀戏，因此其损耗( 特别是接近光频段鼓的损糕) 9 赣江丈学耩士攀缱论文 在理论上可以达到无损，因此作为有希望在光频段实现负折射的光予晶体，其相关的 应用受到较大的关注。目前，提出的负折射光予鼎体应用主要有； 1 ) 光子燕髂次波长乎叛成像【7 2 7 翻。 竞子菇体平板成像最早是囊h o 等人提出鹃，虽然l u o 提出的光子晶俸结构荠没有受 的等效折射率【7 2 】，但具有全入射角负折射特性及倏逝波共振放大特性使它与n o t o m i 的结构一样也可以实现平扳的次波长成像【7 3 】。l u o 等人的结构除了利用共振实现倏 逝渡放大概裁实现次波长成像之外，b e l o v 等人锻提出，在这静负季斤瓣光子鑫体的自 灌壹攘攀逸，由于嵬予晶体憨把入鸯| 弱倏逝波转变成b l o c h 形式静行波传播，从而使 高空间频谱信息传递到像平灏实现次波长成像【7 3 ，8 0 】，如图1 1 2 所示。此后，利用这 种机制，b e i o v 等人又提出用念属和玻璃介质层堆疆的一维负折射光予晶体结构成像， 在理论上蕻成像分辨率可以达到为影2 0 【8 0 】。与左手套质不圃，黢傻光予晶体鳆等效 折射率与空气栏匹配对( 鄹，z = 一1 ) ，光入鸯于剿巍予晶体界蕊依| 霜可麓会有较大的反 射，而且光予晶体的透射率与光入射角度 8 1 及光予晶体的截断面有很大关系。此外， 由于倏逝波对光子晶体截断筒极为敏感，其界面的截断方式对获得离质量成像起着一 个棼常关键魏俦惩【8 2 】。 f 曲国) 图1 1 2 ( a ) 自准直区的等频率曲线e 一部分倏逝波入射到光予晶体内转变成行波f 7 3 】。( b ) 相应的光 子晶体平投点潭或像时的电璐分京f 7 3 l 。 2 ) 负拼射光子晶体聚焦透镜【8 3 _ 8 5 】。 与左手介质聚焦透镜相同，负折射光子晶体聚焦透镜也为凹透镜( 如图1 1 3 ) ，而 且同样有焦距较短、透镜体积小以及会聚焦斑小的优点，此外，像激比相对应的正折 i o 浙江天学博士学位论文 射搴透镌小【8 4 】。出于光子器体聚焦透镜蛊翅期结椽梅戏，其缝栋菱易于钱铯，可以 缀容易酌改变不嗣都分的尉鬻分布戳形成各种缀合透镜。耐时，由予光予晶体的负折 射和等效折射率随着频率变化比较大，其聚焦特性与频率柏关【8 5 】。 囤1 1 3 始子鼹体受辑射率聚焦透镜8 4 】。 3 ) 负折射率光子晶体开放胶【8 6 】。 开放腔是负折射率介质一个比较有意思的应用，光予晶体同样也可以实现开放腔。 但是与左手分蒺开放腔不羁，虽然巍孑鑫钵等效辑瓣率为一l ，褪巍素在出毽块辑射 率交替静普通介蔟与负挢莉光予晶体构成的歼敖腔结构f 1 4 】中，箕界面反射率菲常大， 因此这种开放腔结构并不适合负折射率光子晶体【8 6 】。为了减小界丽反射，需要把四 块交替介质结构改成折射率相互交替的六块介质结构，形成如图1 1 4 所示的开放腔结 孝句。由予野放腔没鸯反射壁，共振模式j c 重空气孛摄射率的变化比较敏感，毽此可鞋应 耀于探溅器。 图1 1 4 光予晶体开放腔结构示意图( a ) 和1 3 层空气孔开放腔拭振模式的电场分布( ” 8 6 】。 赣江丈学搏士学缘论变 4 ) 光子晶体偏振分束器 8 7 培9 】。 由于光予晶体的负折射穗往只是针对一个偏振模式( 如t e 或者t m ) 而言，因此 当珏秘覃m 混合振踱入射至必予爨俸对，往後一个傣振投稼波表壤为歪辑瓣露另一 个偏扳_ 轰| 】袭现密负折射。羧诧通过合理设计光予燕体形状及不问编振光的等效拆鸯于 率，就可以简单地实现对不同偏振光的分束，如网1 1 5 所示。 图1 1 5 攒形光予晶体偏振分柬嚣。( a ) t e 波入射到光予鼯体的光强分布【8 8 】，等效折射率为l 。 ( b ) t m 波入射至光子晶体的毙谶分毒【8 8 】，等效辑射率为一l 。 1 4 本文的工作 本文的主要研究课题为负折射介质中的左手介质和光子晶体，主骚开展了以下几 个方面黔研究： l ，骈究了左手介质平缀波喾和函柱波导静强波特点及色教将髓，荠对左手分囊 各种波导的导模特征进行归纳和类比，重点分析了左手介质波导的慢波特性并提出了 相关的器件应用。 2 磷究了受折射光予黯傣攀赛藤波导的导波特往及反射特性，分粝渡导的导模 特瞧及鬯激特往，发嚣受援瓣光子鑫体单赛嚣波器其有棼鬻奇祷豹骥波特往及导模特 性。在单羿面的反射光束存在疆负古斯一汉森位移效应，而且对于极窄的入射光束其 反射光束只可以保持较好的光束分布，并分析了瞳负古斯一汉森产生的条件和机制。 同时也对负折射光子晶体双器蕊波导的导波特链送行了分辑。 3 对蠡缱装方法囊l 备受辑射金鬟壳菝结聿奄静光子鑫薅方法遴雩亍了初步探索，磺 究了制备均匀a g s i 0 2 单分散球的方法及控制工艺，以及在蛋白石结构间隙填充金 属银的光举特性变化。 浙江大学博士学位论文 参考文觳 f l 】 v gv 酞e l a g o 叮h ee l e c t r o d y n a m i c so f s u b s 瞧n o e sw l m s m u l t a n e o 瞻l y 皲e g a t v ev 基l u e so f 8 a n d “，”勘v 朋坶盔p 1 0 ，5 0 9 ( 1 9 6 8 ) 闭yz h a r i g ，b ff l u e g e i ，a m a s c a 陀n h a s ，”r o t a in e g 相v er e 抒a c t i o ni nr e a lc r y s t a l sf o r b a 儿敏i c e l e c 细n s 粕dl i 曲扩殛玲蕊e 三眦，9 l ，1 5 7 4 0 4 ( 2 。0 3 ) f 3 】a 如融搬a ，m w c a l l ，“e o 强耄e 秘刚鼬s ew 妇玲醐de n e 噼t r 鄹p o 难v e l 姆 v e c t o f si nad i e l e c 州c - m a g n e t i cu n i a x i 毹m e d i u m ，”( 枷滠l1 5 ，2 8 ( 2 4 ) + 【4 】z l u ，z l i n ，s 。t c h 此n e g a t i v er e 舳c t i o na n do m n i d i 懈c d o n a lt o 诅lt r a n s m b s i o na ta p l a n a ri n t e r f 如ea s s o c i a t e dw 油au n i a x i a lm e d i u m ，”聊驴k ue6 9 ，1 15 4 0 2 ( 2 0 0 4 ) 秘】x l c h e n ，m h e ，y i r l x i a od u ，w yw a n 躲d f z h a f 培，“n e g a t i v er e 靠a c t i o n ：a ni n t r i n s i c p f 。p e 晦醴u n a x i a lc 搿绺l s ，列秘黜v 甄7 2 ， i 3 l l l ( 2 5 ) 陌】d 。r s m “kw i l l i ej p a d i l kd ，c v i 馘s c n 嘲曲姓a s s e s 。s c h u 嗡c o 搬s 妇 m e d i u mw i i hs i m u l t 鲫e o u s l yn e g a t i v ep e m 托a b i i n ya n dp e 吼| 犍i v ”， 坶胎v 五e f ，8 4 ， 4 1 8 4 ( 2 0 0 0 ) 【7 】d r s m 诋n k r o l i ，n e g a t i v er c 矗猫t j v ei n d e xi nl 曲一h a n d e dm a t e r i a l s ，”科咐m v 三班 8 s ，2 9 3 3 拉8 0 0 ) 【8 】r a 。s h e l b y ，d r ，s m 疆h ，s 。s c h u l “e x 辨瘫辩n 皤v e r 至歉崩。珏醴拈e g 越i v ei n 如xo f r e f r a c t i o n ，”& 抽n “+ 2 9 2 ，7 7 ( 2 0 0 1 ) ， 【9 】rw z i o l k o w sk - ，e h e y m a n ，“w a v ep r o p a g a t i o ni nm e d i ah a v i n g n e g a t i v ep e 肌m i v n y a n d p e r m e a b i l i t y ，”融坶r 8 e6 4 ，0 5 6 6 2 5 ( 2 0 0 1 ) 【 0 】e g p a f a z z 。l j r b + g r g 。t 轻l i ，b ，e c 壬( o l t c n b a h ，m t a n i e j i 黼，“e x 弹r l m e n t a j 镬e a t l 拍鞠ds i m u l a t 龌o f n e g a 娃v el n d e x r e 锄c 鼍酶nu s 珏gs 犯熟l a w ”强壮霆e v 删：，9 0 ，1 0 7 4 0 l ( 2 0 0 3 ) 1l 】p _ ab e l o v ，r m a r q u 6 s ，s lm a s l o v s k i ，i ，s 。n e f e d o v ，m s i i v e i r i n h a ，c 。r s i m o v s k i ，s ，a 。 t r e 可a k o v ，“s t m n gs p a t i a ld i s p e r s i o ni nw j 陀m e d i ai nt h ev e r yl a 喀ew a v e i e n 甜hi i m i p 鱼芦 船v 敢6 7 ，1 1 3 i 0 3 ( 2 0 0 3 ) f 2 】tj c h i ，j a ，k o 珏g ，“弧翔e 一如辩a 融e l e e 咖m a 静霉t i ce n e 谢抽a 蕊q u e n c y - d i s p e r s i v e l e r h a n d e dm e d i u m ，”鼹姆舷e 冀7 0 ，2 0 5 1 0 6 2 0 艇) 【1 3 】c m o n z o na n dd w f o r e s t e “n e g a l j v er e 靠a c t i o na n df o c u s i n go f c i r c u a r l yp o l 曩f i z e d w a v e si no p t i c a j i ya c t i v em e d i a ，”脚r p v 上鲥 ，9 5 ，1 2 3 9 0 4 ( 2 0 0 5 ) 【1 4 】m n o t o m i ，“t h e o r yo f l t 曲tp r o p a g a t i o ni ns t r o n g l ym o d u l a t e dp h o t o n i cc r y s t a l s ： 觏f r a e t i o 捌i 沁b e h a v i o r n 也ev i c i n f t yo f t h ep h o 幻n i cb a n dg 印，”脚f 舶v 甄6 2 ，1 0 6 9 6 ( 2 0 ) 【1 5 】a ，lp o k v s k ya n da l e f m s ，“e l e c 讯m y n 蛆l i c so f m e 像l l l c 弛。如n l cc 琊t a l s 鑫艇粕 p r o b k mo f l e f 一h a n d e dm a t e “a l s ，”p ，秘融v 三眦，8 9 ，0 9 3 9 0 1 ( 2 0 0 2 ) 。 【1 6 jg s h v e t s ，p h o t o n i c 印p r o a c h t o m a l c i n ga m a c e r i 棚w 讹a n e g a t i v e i n d e x o f f r a c t i o n ，”剧邺 r e v 抚6 7 ，0 3 51 0 9 ( 2 0 0 3 ) f 1 7 】s | e i n o p