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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 一維光子晶體的制備和特性研究
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 數(shù)理
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 本文通過(guò)軟件模擬和實(shí)驗(yàn)制備、測(cè)試的手段，研究了一維光子晶體的帶隙機(jī)理及其基本特性。采用MPB軟件和MEEP軟件對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其帶隙結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。提出并制備了一種具有可控介電常數(shù)特性的電介質(zhì)材料。采用該電介質(zhì)材料與泡沫薄板組裝了一種一維微波段光子晶體，并從實(shí)驗(yàn)上測(cè)得其帶隙中心頻率為9.3GHz，帶隙寬度500MHz。所制光子晶體在微波段濾波器的設(shè)計(jì)方面具有很大的應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 本文通過(guò)軟件模擬和實(shí)驗(yàn)制備、測(cè)試的手段，研究了一維光子晶體的帶隙機(jī)理及其基本特性。采用MPB軟件和MEEP軟件對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其帶隙結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。利用以上兩種軟件不僅可以得到光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)，還可以清楚的看到電磁波在光子晶體內(nèi)部的傳播情況，得到電磁波的透射和反射譜線(xiàn)。 提出并制備了一種新的用以組裝一維光子晶體的具有可控介電常數(shù)特性的電介質(zhì)材料。該電介質(zhì)材料是由鈦酸鋇粉末混合聚二甲基硅氧烷膠體制備而成。利用該材料可以制備成具有宏觀尺寸（厘米量級(jí)）的穩(wěn)定介質(zhì)。本通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量出了電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)與其兩組分配比的關(guān)系曲線(xiàn)，可以通過(guò)改變電介質(zhì)材料兩組分的混合比，來(lái)控制電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)。采用該電介質(zhì)材料與泡沫薄板組裝了一種一維微波段光子晶體，并從實(shí)驗(yàn)上測(cè)得其帶隙中心頻率為9.3GHz，帶隙寬500MHz。所制光子晶體在微波段濾波器的設(shè)計(jì)方面具有很大的應(yīng)用前景。我們已與西安航天恒星公司達(dá)成合作意向，將利用制備的電介質(zhì)材料研制一維光子晶體濾波器。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 目的：對(duì)一維微波段光子晶體進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)上的研究；制備了一種光子晶體，并對(duì)其色散特性進(jìn)行了測(cè)量。 思路：利用MPB和MEEP軟件對(duì)一維光子晶體進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算和分析；采用PDMS混合BaTiO3粉末的方法制備出具有高介電常數(shù)的電介質(zhì)材料，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出混合材料的相對(duì)介電常數(shù)與PDMS/ BaTiO3配比的關(guān)系曲線(xiàn)；利用制備的電介質(zhì)材料與泡沫薄板組成一維光子晶體，并測(cè)量其色散特性。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性：一維光子晶體的折射率只在一個(gè)方向上呈現(xiàn)周期性變化。可以通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)參數(shù)而改變光子帶隙。 先進(jìn)性：對(duì)一位光子晶體進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，具有重要的額研究意義和技術(shù)水平。實(shí)驗(yàn)方法可推廣到二-三維光子晶體研究，并可對(duì)其他光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究和測(cè)定。 獨(dú)特處：在MPB和MEEP軟件分析的基礎(chǔ)上，制備了一種新的具有可控介電常數(shù)特性的電介質(zhì)材料。利用該材料組裝成具有宏觀尺寸的一維微波段光子晶體。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 作品所制得光子晶體的帶隙位于微波段，并且具有一定的宏觀尺寸。這種材料非常適合作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室有關(guān)光子晶體方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料。另外，一維微波段光子晶體具有直觀、可控光子帶隙的優(yōu)良特性。可以將其用于微波濾波器的研制。本作品已與西安航天恒星公司達(dá)成合作意向，將利用所制備的電介質(zhì)材料研制一維光子晶體濾波器。另外，本作品中的實(shí)驗(yàn)方法也具有推廣價(jià)值。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文通過(guò)軟件模擬和實(shí)驗(yàn)制備、測(cè)試的手段，研究了一維光子晶體的帶隙機(jī)理及其基本特性。首次采用MPB軟件和MEEP軟件對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其帶隙結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。提出并制備了一種新的用以組裝一維光子晶體的具有可控介電常數(shù)特性的電介質(zhì)材料。采用該電介質(zhì)材料與泡沫薄板組裝了一種一維微波段光子晶體，在微波段濾波器的設(shè)計(jì)方面具有很大的應(yīng)用前景。 不同于Matlab等傳統(tǒng)數(shù)理分析軟件，采用MPB和MEEP軟件不僅可以得到光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)，還可以得到電磁波的透射和反射譜。另外，只需在軟件中改變光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，便可模擬輸出新的光子帶隙和透射譜。電介質(zhì)材料是由鈦酸鋇粉末混合PDMS膠體制備而成。利用該材料不僅可以制備成具有宏觀尺寸（厘米量級(jí)）的穩(wěn)定介質(zhì)，還可以通過(guò)改變電介質(zhì)材料兩組分的混合比，來(lái)控制其相對(duì)介電常數(shù)。實(shí)驗(yàn)上測(cè)得所組裝光子晶體的其帶隙中心頻率為9.3GHz，帶隙寬度500MHz。我們已與西安航天恒星公司達(dá)成合作意向，將利用制備的電介質(zhì)材料研制一維光子晶體濾波器。另外，本文的實(shí)驗(yàn)方法也具有推廣價(jià)值：可推廣到二-三維光子晶體研究，并可對(duì)其他光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究和測(cè)定。
獲獎(jiǎng)情況
- 本作品的部分研究成果發(fā)表于《光學(xué)學(xué)報(bào)》2009年第8期。 本作品獲第七屆“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。
鑒定結(jié)果
- 本作品已獲得西安航天恒星公司的認(rèn)可，并達(dá)成合作意向。將利用本作品中所制備的電介質(zhì)材料研制一維光子晶體濾波器。
參考文獻(xiàn)
- 1 Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics[J]. Phys Rev Lett, 1987, 58(20): 2059～2061 2 John S. Strong.Localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[J]. Phys Rev Lett, 1987, 58 (23):2486～2489 3 溫熙森. 光子/聲子晶體理論與技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006，160～161 4 曾輝,楊亞培. FDTD法與平面波展開(kāi)法在光子禁帶計(jì)算中的差異分析.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)[J]. 2005, 34(6):901～904 5張寶峰,廖惕生. 測(cè)量介質(zhì)微波吸收的實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理,2000,19(8):33-35 5 劉艷榮.一維光子晶體濾波器的研究進(jìn)展[J].國(guó)外電子元器件，2008，9：88-89 6 舒森，陳名松.一維光子晶體濾波器的設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：210-213
同類(lèi)課題研究水平概述
- 光子晶體的發(fā)現(xiàn)，提供了一種全新的控制電磁波傳播的機(jī)制。通過(guò)光子晶體的帶隙以及帶隙中的缺陷態(tài)可以方便地禁止或允許一定頻率的電磁波通過(guò)。這一特性決定了光子晶體有著廣泛的應(yīng)用潛力。迄今為止，多種基于光子晶體的全新光子學(xué)器件相繼被提出，包括光子晶體微波天線(xiàn)，無(wú)閾值的激光器，無(wú)損耗的反射鏡和彎曲光路，高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔（諧振腔）等 光子晶體已經(jīng)成為國(guó)際研究熱點(diǎn)，國(guó)外在小尺寸光子晶體方面的研究成果十分突出，2005 年, 丹麥技術(shù)大學(xué)的M.D. Nielsen 等得到了在1550 nm處模場(chǎng)面積高達(dá)1550 mm2、損耗僅為0.48 dB/km 的光子晶體光纖。另外AMOLF(原子分子物理學(xué)會(huì))的Laurens Kuipers與來(lái)自荷蘭、比利時(shí)與蘇格蘭的合作者一起發(fā)明了一種稱(chēng)為“相敏鄰區(qū)掃描光學(xué)顯微鏡“的設(shè)備，該設(shè)備可以測(cè)量光子通過(guò)光子晶體時(shí)的波長(zhǎng)和相位。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確地觀察到了光波波形在光子晶體內(nèi)的變化過(guò)程。如果這項(xiàng)技術(shù)得以推廣，研究光子晶體的手段將大幅度提升。 我們國(guó)家也很重視這方面的研究。國(guó)內(nèi)大多利用陶瓷或金屬材料構(gòu)造納米量級(jí)的二維或三維光子晶體，如北京大學(xué)的王全等人利用ZnO單分散膠體球自組裝了三維光子晶體。而我們的研究主要是針對(duì)具有宏觀尺寸（厘米量級(jí)）的一維微波段光子晶體。另外，我們提出了一種新的用于組裝光子晶體的材料，該材料不僅性狀穩(wěn)定，可以制備成具有宏觀尺寸的樣品，還具有可控介電常數(shù)的優(yōu)良特性，很適合于一維光子晶體濾波器的研制。利用該材料組裝成了一維微波段光子晶體。光子晶體的周期長(zhǎng)度與波長(zhǎng)相當(dāng)，對(duì)于微波段8—12GHz來(lái)說(shuō)，光子晶體的周期長(zhǎng)度將很直觀，達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。而且依據(jù)比例縮放原理，所得結(jié)論也可用于光波段或其它波段光子晶體，我們的實(shí)驗(yàn)方法同樣具有推廣價(jià)值。這就是我們所研究的微波段光子晶體的主要優(yōu)勢(shì)。另外，對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)光子晶體相關(guān)實(shí)驗(yàn)，微波段光子晶體具有很大優(yōu)勢(shì)：一方面比較容易制作，方便進(jìn)行后續(xù)各操作；另一方面便于初次接觸的同學(xué)對(duì)光子晶體的結(jié)構(gòu)有比較直觀的理解，加深對(duì)光子晶體的印象。
