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二维光子晶体禁带特性及其光谱调控研究

作　者: 张晓晨
导　师: 谈和平
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 光子晶体 光谱辐射特性 光谱调控 热光伏系统
分类号: O734
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


光子晶体是一种近年来被广泛研究的新兴光学材料,它已成为世界范围内诸多学科的研究热点,尤其是在电子计算机和光通信科学领域更具有无与伦比的魅力。作者在总结前人工作的基础上,结合电磁学、光学、固体物理理论,对光子晶体的禁带及光谱调控特性进行了细致的研究。本文基于固体能带理论与平面波展开算法(PWE)计算了二维光子晶体两种晶格结构——正方晶格圆柱结构和三角晶格圆柱结构的禁带分布情况。从电磁学的角度出发,由时域有限差分法(FDTD)分析了电磁波穿越二维电介质圆柱的场量变化,计算了电磁波在介电常数随空间位置变化的电介质中的传播特性,进一步讨论了光子晶体在光学波导及太阳能热光伏领域(TPV)中的应用。1.运用时域有限差分法(FDTD)计算了正方晶格光子晶体平板波导特性,考察了波导宽度对通频带上限波长和传输能量谱的影响,同时分析了光子晶体弯折波导和Y型波导的场量变化与能量传输特性,并提出一种光子晶体波导的应用设想。2.基于光子禁带(PBG)材料的带隙结构随介电常数和结构参数的变化特征,介绍了二维光子晶体结构的设计方法,设计出一种三角晶格空气柱孔结构的砷化镓光子晶体薄膜,并分析了不同损耗媒质对其光谱传输特性的影响。3.研究了金属钨与金属银两种光子晶体多层薄膜结构的热光伏辐射器的光谱辐射特性,以及(1/2LH1/2L)n和(LH)n结构Si/SiO2多层薄膜结构的热光伏滤光器的光谱调控规律。分析了光子晶体辐射器与滤光器对TPV系统光谱效率的影响程度。计算结果表明借助光子晶体的光谱调控特性可改善TPV电池接收辐射的光谱热流密度分布,从而提高太阳能TPV系统的能量转换效率。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 光子晶体概述  10-12
    1.1.1 光子晶体的概念  10-11
    1.1.2 光子晶体的特征  11-12
  1.2 光子晶体国外研究进展  12-15
    1.2.1 光子晶体的理论研究  13-14
    1.2.2 光子晶体的应用研究  14-15
  1.3 光子晶体国内研究现状  15-17
  1.4 本课题的主要研究内容  17-18
第2章 光子晶体理论研究方法  18-32
  2.1 时域有限差分方法  18-26
    2.1.1 时域有限差分法的特点  18-19
    2.1.2 麦克斯韦方程及一维Yee 算法  19-22
    2.1.3 二维直角坐标系的FDTD 公式  22-24
    2.1.4 吸收边界条件  24-26
  2.2 其他研究方法简介  26-27
    2.2.1 传输矩阵法和超晶胞法  26-27
    2.2.2 有限差分法和衍射光栅法  27
  2.3 有耗媒质的色散模型  27-31
    2.3.1 洛伦兹色散模型  28-29
    2.3.2 洛伦兹-德鲁德色散模型  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 光子晶体禁带特性及波导研究  32-56
  3.1 光子晶体的光子禁带计算  32-40
    3.1.1 光子晶体基本方程  32-35
    3.1.2 平面波展开法介绍  35-40
  3.2 不同晶格结构的禁带研究  40-44
    3.2.1 正方晶格圆柱结构  41-43
    3.2.2 三角晶格圆柱结构  43-44
  3.3 光子晶体平面波导研究  44-55
    3.3.1 波导材料及其禁带计算  46-47
    3.3.2 光子晶体直线波导  47-51
    3.3.3 光子晶体弯折波导  51-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章 光子晶体设计及其光谱调控研究  56-73
  4.1 光子晶体结构的设计方法和依据  56-59
  4.2 光子晶体薄膜结构设计与特性分析  59-64
    4.2.1 无耗媒质的光子晶体薄膜  59-62
    4.2.2 有耗媒质的光子晶体薄膜  62-64
  4.3 光子晶体在热光伏系统中的应用  64-72
    4.3.1 光子晶体辐射器研究  65-68
    4.3.2 光子晶体滤光器分析  68-70
    4.3.3 TPV 系统性能分析  70-72
  4.4 本章小结  72-73
结论  73-75
参考文献.  75-81
攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果  81-83
致谢  83

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体物理 > 晶体的光学性质
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