Спектры электромагнитных и акустических волн в глобулярных фотонных кристаллах

• Автор: Филатов, Владимир Викторович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Обзор исследований фотонных кристаллов
1.1. Исторический обзор
1.2. Методы расчета зонной структуры фотонных кристаллов
1.2.1. Метод плоских волн
Глава 2. Экспериментальные исследования глобулярных фотонных кристаллов на основе искусственных опалов
2.1. Общие характеристики образцов
2.2. Методика измерений и обработки данных
2.3. Результаты спектрального анализа
Глава 3. Теоретический анализ распространения электромагнитных и акустических волн в глобулярных фотонных кристаллах
3.1. Распространение плоских волн в слоистой среде
3.2. Дисперсионные характеристики глобулярного фотонного кристалла
3.3. Влияние дисперсии размера глобул на спектр ГФК
3.4. Влияние затухания на спектры отражения ГФК
3.5. Влияние толщины кристалла на спектры отражения
Глава 4. Оптические свойства фотонных кристаллов, заполненных диэлектриками или металлами
4.1. Исходные образцы
4.2. Опалы, заполненные водой
4.3. Опалы, легированные золотом
4.4. Опалы с иодидом калия
4.5. Опалы с титанатом бария
4.5.1. Электрооптические эффекты в фотонном кристалле с титанатом бария
4.6. Резонансные фотонные кристаллы с редкоземельными включениями
Глава 5. Акустические свойства искусственных опалов. Фононные кристаллы
Основные результаты работы
Заключение
Литература

Список используемых сокращений
ГФК - глобулярный фотонный кристалл; 1 ГЦК - гранецентрическая кубическая сингония; ИК - инфракрасный;
Стоп-зона - запрещенная зона.

Введение
Под термином «фотонные кристаллы» принято понимать оптические среды с периодическим изменением коэффициента преломления на масштабе, сопоставимом с длиной волны света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов [ 1 ]. Аналогично полупроводникам, энергетический спектр фотонных кристаллов содержит разрешенные и запрещенные зоны (но не для электронов, а для фотонов). Ожидается [2], что такие материалы станут основой для нового поколения микроэлектроники.
Большие практические перспективы предоставляют глобулярные фотонные кристаллы (ГФК) - композиты, образованные ГЦК-решеткой глобул (шаров) аморфного кварца Si02 диаметром от 200 до 800 нм (в зависимости от образца). Решеточные пустоты - поры - в таких кристаллах имеют размер от 50 до 150 нм соответственно. Присутствие пор позволяет вводить в опал различные включения, тем самым воздействуя на оптические свойства ГФК.
Несмотря на обилие работ, посвященных фотонным кристаллам, вопрос о создании образцов с программируемыми свойствами до сих пор не решен. Поэтому представляет большой интерес изучение закономерностей в спектрах пропускания и отражения фотонных кристаллов, выяснение условий «схлопывания» запрещенных зон (стоп-зон), анализ резонансных переходов в оптических спектрах и др.
В связи с этим в данной диссертации была поставлена цель экспериментального изучения и теоретического анализа спектров электромагнитных и акустических волн в глобулярных фотонных кристаллах. В частности, предполагалась постановка новых экспериментов по выяснению особенностей спектров отражения и люминесценции вдоль направления [111] как самих опаловых матриц, так и композитов на их

Здесь введены обозначения:
1 к к )
В = ехр(-гк^а)- —г ——— Бтк2гЬ ,
|_2 УК Ю

вт к2гЬ
В (11) матрица представляет собой матрицу преобразования для одной ячейки, связывающую амплитуды плоских волн в слое 1 элементарной ячейки с аналогичными амплитудами для эквивалентного слоя в следующей элементарной ячейке. Поскольку эта матрица связывает амплитуды поля двух эквивалентных слоев с одинаковыми показателями преломления, она является унимодулярной, то есть,
Следует отметить, что матрица преобразования для элементарной ячейки, связывающая амплитуды поля в слое 2, отличается от матрицы в уравнении (12). Однако эти матрицы имеют одинаковые следы. Далее будет показано, что след матрицы преобразования для элементарной ячейки непосредственно связан с зонной структурой периодической среды.
Как было отмечено ранее, только один вектор-столбец является независимым. В качестве этого вектора-столбца можно выбрать, например, вектор-столбец для слоя 1 в нулевой элементарной ячейке. Оставшиеся вектора-столбцы эквивалентных слоев связаны с вектором для нулевой элементарной ячейки соотношением
АВ-ВС=