Ta2O5基三维光子晶体带隙性质的理论研究

作     者：王井伟 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩培德

授予年度：2010年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：光子晶体 氧化钽 异质结构 氮掺杂 传输矩阵法 平面波展开法 

摘      要：光子晶体是在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。自从Yablonovitch和John分别提出光子晶体概念以来,在实验与理论研究上受到了广泛关注并得到了飞速的发展。光子晶体因为“光子带隙的存在而具有许多崭新特性,类似于半导体材料中电子在周期性势场作用下形成能带结构,在光子晶体中光子由于受到周期性介电结构的调制,于是出现了光子带隙,一些特定频率范围的光不能在光子晶体中传播。由于光子存在许多电子没有的优势:如速度快,没有相互作用等,我们可以通过对光子晶体带隙结构的设计来实现对光子的控制,因此光子晶体材料有望实现光子领域的一次变革。 工作在可见及近红外光波段的光子晶体是近年来人们研究的热点,由于在该波段范围内可选材料少、所得带隙窄,至今研究进展都很缓慢。研究发现:增大介质材料的介电常数是提高光子晶体光学性能的有效手段之一;将光子晶体的常规结构改进为由不同材料构成的异质结构也可有效改善其光学特性。 本文从材料选择和结构优化两个方面对三维光子晶体进行了研究。采用密度泛函理论计算了氮掺杂五氧化二钽的光学性质,并将其运用到了三维光子晶体的研究之中。最后采用传输矩阵方法和平面波展开法分别研究了氮掺杂TaO金刚石结构三维光子晶体以及由TaO/MgF组成的异质结构三维光子晶体的带隙特性。 研究结果表明:氮掺杂明显提高了TaO的折射率,当氮掺杂量为7.14%即TaON结构的折射率最高,光学性质最佳。金刚石结构TaON三维光子晶体具有完全光子带隙,宽度Δω=0.05(a/λ, a为晶格常数),为实验制备具有高反射性能的三维光子晶体提供了理论依据,也为新型光学器件的开发奠定了理论基础。TaO/MgF异质结构三维光子晶体具有“带隙叠加的特性,显著增大了带隙宽度,调节其晶格常数可出现几乎涵盖整个红光波段的光子带隙;同时在TM模式下在820020nm范围内具有一不受入射光角度影响的全方位光子带隙,该结构有望被用于制备偏振器件