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光子晶体是具有光子带隙的一种新型光学材料,是二十世纪八十年代末出现的新概念,由于它能调节光子的运动状态,所以在光导纤维通讯和光子计算机等领域有着广泛的用途和潜在应用。例如光子光纤,它是九十年代发展起来的新光波导材料,光子晶体光纤和普通光纤相比,具有宽带单模特性、超大数值孔径、独特的色散性和超连续光谱等特性。因此,对光子晶体特性的研究及其应用开发,成为当今世界科研工作者研究的热点之一。一维光子晶体是光子晶体最基本的构型,其体结构简单、易于制备,并且具备二、三维光子晶体的性质,极有可能成为全光通信领域中的关键材料,对于研究和设计二、三维光子晶体具有一定的指导意义,因此具有较高的理论价值和广泛的应用前景。
在光子晶体中引入缺陷,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,从而可以实现自发辐射的增强,形成缺陷模。光子禁带中如果存在缺陷模,可以很容易实现特定频率的光子通过光子晶体,这种特性使得含有缺陷层光子晶体具有广泛的应用潜力。
MgF2是一种有金红石结构(Rutile Structure)的晶体材料。MgF2是最早采用的性能优良的镀膜材料,它具有透明波段宽(120nm～8000nm)、折射率低(n=1.38)、宽能隙(能隙Eg=11eV)、热稳定性好、膜层机械强度大和激光损伤阈值高等优异性能。MgF2是一种重要的固体激光器发光介质,可制作光学棱镜、透镜和窗口等光学元件,并且在紫外波段有较低的消光系数。而CdSe作为Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有覆盖整个可见光波段的吸收光谱、发射半峰宽较窄、平均原子序数较大、对高能射线具有较高的阻止能力、漏电小、稳定性高、不易潮解等优点,被广泛地应用于光学、电学和光电器件的制造等。
本文首先在可见光波段构建了一维光子晶体MgF2/CdSe,采用传输矩阵法对其光学特性进行了理论研究,探索了其作为光子晶体的可行性。计算结果表明由MgF2与CdSe组合构成的一维多层膜光子晶体,E-polarization和n-polarization两种偏振模式在可见光波段均有光子带隙存在,并且光子带隙完全重合,在正入射的情况下,对于E-polarization和H-polarization两种偏振模式,带隙宽度约为123nm(447～570nm),其最大反射率为100％,出现全反射光子带隙。在此基础上,引入缺陷层liTaO3,进一步探讨一维缺陷层对MgF2/CdSe在可见光波段的光子.带隙的影响,计算结果表明,在可见光波段引入缺陷层,使带隙宽度有所展宽,同时,带隙内出现缺陷模,改变缺陷层liTaO3的厚度,可以在可见光波段的不同位置处得到缺陷模,这对制作可见光波段的滤波器有一定的指导意义。其次,在紫外波段构建了一维光子晶体AlN/MgF2,采用传输矩阵法分析了这一结构在紫外波段的光学特性。计算结果表明对于E-polarization和H-polarization两种偏振模式,在紫外波段都有光子带隙存在,并且其带隙特性受周期层数、周期尺寸等结构参数的影响,最大反射率可达95％,该多层膜结构可作为紫外波段高反射光子晶体；并且参照可见光波段引入缺陷层的方法,引入缺陷层P3OT,探讨缺陷层对紫外波段光子晶体带隙的影响,与无缺陷相比,带隙宽度有所增大、反射率有所提高。