CN105607184A - 一种级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于等离子体材料的准周期级联结构的全方位反射器。它由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成。沿光入射方向依次为3个周期的按3阶Fibonacci序列排列的A和P的多层结构（以(F3)3表示，上标3和下标3分别为Fibonacci序列的周期和阶数）及2个周期的按2阶Thue-Morse序列排列的B和P`的多层结构（以(T2)2表示，上标2和下标2分别为Thue-Morse序列周期和阶数），其中A，B为不同折射率的光学薄膜介质，P和P`为等离子体材料层。本发明结构的全方位反射器具有结构简单、层数少和非常宽的全方位带隙宽度等突出特点。

Description

一种级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器
技术领域
本发明涉及一种一维等离子体光子晶体的异质结构，特别是一种级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器，主要用于光学系统中的全方位反射器。
背景技术
自从1987年，John和Yablonovitch提出光子晶体概念以来，经历多年的发展，光子晶体已经成为光电子学科一个发展迅速的研究领域。光子晶体是一类晶格单元与入射波长具有同一量级的周期性人工微结构介质，光在光子晶体中传播时会与光子晶体的周期结构发生相互作用从而产生带隙。利用光子晶体的带隙可以十分方便地控制光波的传播，其应用潜力在各种领域都展现出来，已被用于滤波器、偏振器、光开关等各个方面。通过合理的设计，光子晶体将具有在任何入射角度对横电波和横磁波都禁止的光子帯隙，具有这一特性的光子晶体被称为全方位反射器。获得更宽的全方位光子带隙是研究者努力追求的目标。
与二维和三维光子晶体比较，一维光子晶体具有结构简单，易于制备等特点，因而成为人们研究较多的一种光子晶体结构。一维光子晶体结构的全方位反射器目前主要采用新颖的结构和新颖的材料，如加入等离子体材料的级联结构、准周期结构等实现。
在先技术[1](参见Optik，2013，124：751–756) 提出了一种基于等离子体材料的级联结构，该级联结构可表示为(AB)20/(AP)20结构（其中A、B为不同折射率的光学薄膜介质，P为等离子体材料层）。基于该级联结构得到了5.07GHz全方位带隙。可见，全方位带隙的宽度有限，有待进一步提高，且结构过于复杂（其光子晶体层数为80层），不利于该结构实际的制作和应用。
在先技术[2](参见Solid State Communications，2013，174：19-25)提出了一种基于等离子体材料的新的Thue-Morse结构。该结构使用A、B、P三种材料，其中A、B为不同折射率的光学薄膜介质，P为等离子体材料层，并且其Thue-Morse序列T0={PABP}、T1={PABPP}。该在先技术基于5阶的Thue-Morse准周期结构得到了4.37GHz的全方位带隙。但该结构过于复杂（80层），全方位带隙宽度也有待于进一步提高。
在先技术[3](参见Physics Of Plasma，2012，19：112102 )提出了一种基于等离子体材料的新的Fibonacci准周期结构。该结构使用A、B、P三种材料，其中A、B为不同折射率的光学薄膜介质，P为等离子体材料层；Fibonacci序列S0={P}、S1={PABP}。该在先技术基于10阶的Fibonacci准周期结构得到了5.88GHz的全方位带隙，但是该结构同样过于复杂（191层），并且该全方位带隙宽度还有待进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提出一种级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器，具有结构简单、层数少、全方位带隙宽度显著提高等突出优点。
为达到上述目的，本发明提出一种基于等离子体材料的级联Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构的全方位反射器。Fibonacci准周期结构为(F3)3，上标3和下标3分别为Fibonacci序列的周期和阶数，Fibonacci序列F3=F2F1，F2=F1F0；开始的两个序列分别为F0={AP}和F1={P}，则F3={PAPP}；Thue-Morse准周期结构为(T2)2，上标2和下标2分别为Thue-Morse序列的周期和阶数，Thue-Morse序列T2=T1T`1，T`1为对T1按 规则取反操作，开始的序列T1={BP`P`}，则T`1={P`BP`}，T2=T1T`1={BP`P`P`BP`}。A和B为具有不同折射率的光学薄膜介质，P和P`为等离子体材料层。
根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：
一种级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器，其特征在于：由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成。Fibonacci准周期结构为(F3)3，Fibonacci序列F3=F2F1，F2=F1F0；开始的两个序列分别为F0={AP}和F1={P}，则F3={PAPP}；Thue-Morse准周期结构为(T2)2，Thue-Morse序列T2=T1T`1，T`1为对T1按规则取反操作，T1={BP`P`}，则T`1={P`BP`}，T2=T1T`1={BP`P`P`BP`}。A和B为具有不同折射率的光学薄膜介质且光学厚度相等，或者不相等；等离子体层P和P`的光学厚度相等，或者不相等。等离子体层P和P`的等离子体频率ωp和ωp`相同，或者不相同；等离子体层P和P`的碰撞频率γp和γp`相同，或者不相同。
本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：
不同于在先技术[1]的基于周期性的(AB)20/(AP)20级联结构和在先技术[2]及[3]的分别基于Thue-Morse准周期结构和Fibonacci准周期结构，本发明结构基于的是Fibonacci准周期结构与Thue-Morse准周期结构的级联。相比在先技术[1]、[2]的80层结构和在先技术[3]的191层结构，本发明结构简单，层数明显减少（只有24层），且全方位带隙明显提高（18.81GHz）。
附图说明
图1为级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器结构示意图。其中(F3)3为3个周期的3阶Fibonacci准周期结构，(T2)2为2个周期的2阶Thue-Morse准周期结构。
图2为实施例TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F3)3结构的反射谱。
图3为实施例TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(T2)2结构的反射谱。
图4为实施例TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F3)3/ (T2)2级联结构的反射谱。
图5为实施例(F3)3、(T2)2和 (F3)3/(T2)2结构的全方位带隙参量。其中fL、fH、Δf和δf分别为各结构的全方位带隙的频率下限、频率上限、全方位带隙范围和全方位带隙宽度。
具体实施方式
本发明的优选实施例，结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1~图4，本级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器可以表示为(F3)3/(T2)2，即沿光束入射方向依次为3个周期的按3阶Fibonacci序列排列的A和P的多层结构，以(F3)3表示，上标3和下标3分别为Fibonacci序列的周期和阶数，以及2个周期的按2阶Thue-Morse序列排列的B和P`的多层结构，以(T2)2表示，上标2和下标2分别为Thue-Morse序列周期和阶数；其中，A为光学薄膜介质，P为等离子体材料层，B为光学薄膜介质，P`为等离子体材料层。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，其特别之处如下所述：本级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器，其3阶的Fibonacci序列F3=F2F1，其中F2=F1F0，开始的两个Fibonacci序列分别为F0={AP}和F1={P}，则F2= F1F0={PAP}、F3= F2 F1={PAPP}。2阶的Thue-Morse序列T2=T1T`1，其中T`1为对T1按规则取反操作。开始的序列T1={BP`P`}，则T`1={P`BP`}，T2=T1 T`1={BP`P`P`BP`}。另外，光学薄膜介质层A和B的光学厚度相等，或者不相等；等离子体层P和P`的光学厚度相等，或者不相等；而且等离子体层P和P`的等离子体频率ωp和ωp`相同，或者不相同；等离子体层P和P`的碰撞频率γp和γp`相同，或者不相同。
实施例三：
本实施例的级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器如附图1结构所示，整体结构由3个周期的按3阶Fibonacci序列排列的准周期结构(F3)3和2个周期的按2阶Thue-Morse序列排列的准周期结构(T2)2级联构成，具体为(F3)3/(T2)2。其中(F3)3为Fibonacci准周期结构，Fibonacci序列F3=F2F1，F2=F1F0；开始的两个序列分别为F0={AP}和F1={P}，则F3={PAPP}；(T2)2为Thue-Morse准周期结构，Thue-Morse序列T2=T1T`1，T`1为对T1按 规则取反操作，开始的序列T1={BP`P`}，则T`1={P`BP`}，T2=T1T`1={BP`P`P`BP`}。A和B为具有不同折射率的光学薄膜介质，P和P`为等离子体材料层。A介质层和B介质层的折射率分别为na=2、nb=1，A介质层和B介质层的厚度分别为da=5mm、db=5mm。等离子体材料层P的介电常数，其中等离子频率，碰撞频率，w为入射光角频率。等离子体层P的厚度dp=2mm。等离子体材料层P`的介电常数εp`和厚度dp`与P相同，即εp`=εp；dp`=dp=2mm。
图2为TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F3)3结构的反射谱。图3为TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(T2)2结构的反射谱。图2中的灰色区域即为(F3)3结构的全方位带隙，带隙1与带隙2的全方位带隙宽度分别为8.83GHz和7.79GHz。图3中的灰色区域即为(T2)2结构的全方位带隙，其全方位带隙宽度为15.15GHz。图4为TE和TM偏振态光情况下，不同入射角时，(F3)3/(T2)2级联结构的反射谱，其中灰色区域为该级联结构的全方位带隙。图5为(F3)3、(T2)2和 (F3)3/(T2)2结构的全方位带隙参量。结合图4和图5可以看出(F3)3/(T2)2级联结构相比(F3)3和(T2)2结构其全方位带隙显著增大（全方位带隙范围为0~18.81GHz，即全方位带隙宽度为18.81GHz）。
基于实施例中的同样参数，在先技术[2]结构的全方位带隙宽度为4.37GHZ，在先技术[3]结构的全方位带隙宽度为5.88GHZ，可见本发明结构得到的全方位帯隙宽度明显提高（18.81GHz）。此外本发明结构共有24层，相比在先技术[1]（80层结构）、在先技术[2]（80层结构）和在先技术[3]（191层结构），本发明结构也更简单。

Claims (5)

1.一种级联等离子体光子晶体结构的全方位反射器，其特征在于：由Fibonacci准周期结构和Thue-Morse准周期结构级联构成：表示为(F3)3/(T2)2，即沿光束入射方向依次为3个周期的按3阶Fibonacci序列排列的A和P的多层结构，以(F3)3表示，上标3和下标3分别为Fibonacci序列的周期和阶数，以及2个周期的按2阶Thue-Morse序列排列的B和P`的多层结构，以(T2)2表示，上标2和下标2分别为Thue-Morse序列周期和阶数；其中，A为光学薄膜介质，P为等离子体材料层，B为光学薄膜介质，P`为等离子体材料层。
2.根据权利要求1所述的全方位反射器，其特征在于：3阶的Fibonacci序列F3=F2F1，其中F2=F1F0，开始的两个Fibonacci序列分别为F0={AP}和F1={P}，则F2= F1F0={PAP}、F3= F2 F1={PAPP}。
3.根据权利要求1所述的全方位反射器，其特征在于：2阶的Thue-Morse序列T2=T1T`1，其中T`1为对T1按BP`⇌P`规则取反操作，开始的序列T1={BP`P`}，则T`1={P`BP`}，T2= T1 T`1={BP`P`P`BP`}。
4.根据权利要求1所述的全方位反射器，其特征在于：光学薄膜介质层A和B的光学厚度相等，或者不相等；等离子体层P和P`的光学厚度相等，或者不相等。
5.根据权利要求1所述的全方位反射器，其特征在于：等离子体层P和P`的等离子体频率ωp和ωp`相同，或者不相同；等离子体层P和P`的碰撞频率γp和γp`相同，或者不相同。
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