磁流体光子晶体及其负折射特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 2.03MB 54 页 15积分
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摘 要
本文主要研究了以下两方面的内容：
（1）基于磁流体的可调谐一维光子晶体的带隙结构。详细阐述了带隙的调
谐原理，为研究二维可调谐光子晶体负折射作了铺垫。
（2）重点研究了硅柱在 MnFe
2
O
4
磁流体背景中排列成六边形结构的二维光
子晶体的可调谐负折射特性。利用平面波展开法和时域有限差分法研究了硅柱-
磁流体体系二维光子晶体的带隙结构、等频曲线和负折射现象随外磁场强度的变
化关系。模拟结果表明，硅柱-磁流体体系二维光子晶体工作在 TE 模式时，其负
折射特性可由外磁场调节。在固定背景溶液的磁性颗粒体积分数和入射光频率时，
所研究的折射光束的偏转角和光子晶体的负折射率绝对值随外磁场的增大而增
大，而在固定背景溶液的磁性颗粒体积分数和外磁场强度时，负折射角和负折射
率的绝对值随入射光归一化频率增大而减小。固定外场强度和入射光频率时，所
研究结构的负折射特性随背景溶液的磁性颗粒体积分数增大而变弱。
这些研究结果能为基于纳米磁流体的新型光学元器件的研制及改善提供理
论指导。
关键词：负折射 光子晶体 磁流体 可调谐
ABSTRACT
This paper mainly studies the following two aspects content:
(1) Tunable one-dimensional photonic crystals band gap based on magnetic
fluids. The study tunable principle of the band gap. Pave the way for the study tunable
negative refraction of two-dimensional photonic crystal.
(2) Tunable negative refraction of two-dimensional photonic crystals made of
silicon cylinders hexagonally arranged in MnFe
2
O
4
magnetic liquids was studied. The
plane wave expansion and finite-difference time-domain (FDTD) methods were used
to calculate and simulate their band structures, equi-frequency surfaces (EFS) and
negative refraction properties. For the TE mode, the negative refraction of the
two-dimensional photonic crystal made of the silicon column-magnetic liquid system
can be tuned by the magnetic field. When the volume fraction of magnetic
nanoparticles within the magnetic liquids and the frequency of the incident light are
fixed, the deflection angle of the refraction light and the absolute value of the negative
refractive indices will increase with the external magnetic field gradually. When the
volume fraction of magnetic nanoparticles within magnetic liquids and the strength of
the external magnetic fields are fixed, the absolute value of the negative refractive
angle and negative refractive indices will decrease with the normalized frequency of
the incident light. In addition, when the external magnetic fields and the normalized
frequency of the incident light are fixed, the negative refraction will weaken with the
increase of magnetic nanoparticle volume fraction of background solution.
These researches have benefits for us to futher understanding the novel photonic
devices, and can offer theoretical direction for the manufacture of the novel optical
components based on the magnetic fluid.
Key Word：Negative refraction, Photonic crystals, Magnetic liquids,
Tunability
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ..................................................... 1
1.1 磁流体简介 ................................................. 1
1.2 光子晶体概述 ............................................... 3
1.2.1 光子晶体的基本概念 ..................................... 3
1.2.2 光子晶体带隙理论基础 ................................... 4
1.3 负折射简介 ................................................. 6
1.3.1 负折射理论 ............................................. 6
1.3.2 负折射材料的异常物理特性 ............................... 7
1.3.3 负折射材料的研究进展 .................................. 11
1.3.4 负折射材料的应用前景 .................................. 13
1.4 本论文主要内容及安排 ...................................... 14
第二章 光子晶体及其负折射的理论基础和研究方法 ................... 16
2.1 光子晶体理论计算方法 ...................................... 16
2.1.1 平面波展开法 .......................................... 16
2.1.2 时域有限差分法 ........................................ 18
2.2 光子晶体负折射 ............................................ 20
2.2.1 光子晶体负折射理论基础 ................................ 20
2.2.2 光子晶体等效负折射理论分析 ............................ 22
第三章 一维可调谐磁流体光子晶体 ................................. 26
3.1 引言 ...................................................... 26
3.2 模型与理论 ................................................ 26
3.3 结果与讨论 ................................................ 28
3.4 本章小结 .................................................. 30
第四章 磁流体光子晶体的可调谐负折射 ............................. 32
4.1 引言 ...................................................... 32
4.2 模型与原理 ................................................ 32
4.3 模拟结果与讨论 ............................................ 34
4.4 本章小结 .................................................. 42
第五章 论文总结及展望 ........................................... 43
5.1 论文主要成果及创新 ........................................ 43
5.2 对未来研究的展望 .......................................... 43
参考文献 ........................................................ 44
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 52
致 谢 ........................................................... 53
流
体
射
的
详
细
1
铁
磁
Ma
g
内
部
胶
体
独
特
固
有
(如
折
性，
报
道
光
效
图
1
流
体
某
一
本章首
先
体
）的基本
性
理论出
介绍了负
1
.1 磁流
体
纳米磁
流
磁
流体、铁
磁
netic coll
磁性纳
体
系统
[3]
，
如
的性质和
具体的
磁
磁矩的
反射率
如相位、
最多的
效
应
[13-15]
等
当磁流
体
1
-2 所示，
并
体
的折射
率
特定浓
先
较详细地
介
性
质；其
次
发
，阐述了
负
折射率材
体
简介
[1, 2
流
体（Magn
e
磁
流体、磁
o
ids，Ferro
f
微粒在表
如
图1-1
所
潜在的应
光效应主
质内部传
等
)在外加
磁
波阵面、
偏
种磁光现
等
。
体
外加磁
场
沿着磁
会随外磁
度
下，磁流
体
第
第
一
绍了论
阐述了光
折射率
的国内
]
e
tic Fluids）
性胶体、
磁
f
luids，Ma
g
活性剂
所
示。磁流
体
使其在
要
表现在
外
时或在
场的作用
振等特
象
如：磁致
图1-1
磁
场
时，磁流
体
方向自组
场
而变化，
体
的折射
率
第
一章 绪
1
一
章
绪
所研究的
晶体的
料相对于
外
研究进展。
是种特殊
的
磁
性流体、
磁
netic liqui
的
包覆下,
稳
体
被广泛
应
光领域的
磁场作用
质界面发
发生了
也会发生
双折射效
磁流体系
统
体
内的磁
性
成链状
如图 1-4
所
会随磁场
论
绪
论
调谐光
本概念以
规材料
最后给出
了
固液混
磁
液等(英
文
ds)，把磁
性
定地分
用在工程
要性显
下
，一束入
射
生反射时，
改
变，从而
引
了
变化，
这
应
[8-10]
、二
向
统
示意图
纳米颗粒
或
柱状结构
所
示。从图
而
变化
[18]
，
晶体的组
带隙理
表现出的
本论文
相胶体，
又
文
为：Ferro
m
和流动
在液体中
技术领
得
尤为突出
[
4
光进入
由于该
物
起了出
种现象就
向
色性
[11, 12
发生团
，如图 1-3
1-4 我们
能
另外我
们
材料之
论
；再次从
负
常物理
主要工作
又
称为磁流
体
agnetic fl
性
两者合一
，
而形成的
域
。由于磁
流
4
-7]
。
有感应磁
质的光学
光波的传
为磁光
2
]
以及法拉
第
聚
现象
[16, 17]
，
所示。因
此
够清楚看
们
还能看出
磁
一
（磁
负
折
特
性、
安
排。
体
、
u
ids,
，
其
一
种
流
体
矩
或
性
质
输
特
效
应。
第
旋
，
如
此
磁
出
在
磁
流
体
的
图
1
折射率
1
-3 磁流体
作
磁
与浓度有
图1-2
不
内部的磁
用时的
流体光子
关
。
不
同磁场下
，
颗粒在外
均
匀分布，
(
体及其负
2
，
磁流体
的
场作用
(
b)为有外
磁
射特性研
团聚程度
的排列情
场作用时
究
示
意图
[17]
况
，其中(a
)
的有序排
)
为无外加
磁
列
磁
场
摘要：

摘要本文主要研究了以下两方面的内容：（1）基于磁流体的可调谐一维光子晶体的带隙结构。详细阐述了带隙的调谐原理，为研究二维可调谐光子晶体负折射作了铺垫。（2）重点研究了硅柱在MnFe2O4磁流体背景中排列成六边形结构的二维光子晶体的可调谐负折射特性。利用平面波展开法和时域有限差分法研究了硅柱-磁流体体系二维光子晶体的带隙结构、等频曲线和负折射现象随外磁场强度的变化关系。模拟结果表明，硅柱-磁流体体系二维光子晶体工作在TE模式时，其负折射特性可由外磁场调节。在固定背景溶液的磁性颗粒体积分数和入射光频率时，所研究的折射光束的偏转角和光子晶体的负折射率绝对值随外磁场的增大而增大，而在固定背景溶液的磁性...

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