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光子晶体:光束的塑造(D二版)

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作者[美]John D. Joannopoulos（约翰·D.乔安诺波洛斯），Steven G. Johnson（史蒂文·G.约翰逊）， Joshua N. Winn(约书亚·N.韦恩 ) , Rober

出版社国防工业出版社

ISBN9787118124743

出版时间2021-09

四部分类子部>艺术>书画

装帧精装

开本16开

定价188元

货号11541144

上书时间2024-06-25

宏铭图书店

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商品描述
目录

第1章 前言

 1.1 材料性能的调控

 1.2 光子晶体

 1.3 全书总览

第2章 复合电介质的电磁学理论

 2.1 宏观麦克斯韦方程组

 2.2 电磁学本征值问题

 2.3 谐波模态的一般性质

 2.4 电磁能量和变分原理

 2.5 磁场与电场

 2.6 微扰的影响

 2.7 麦克斯韦方程组的比例性质

 2.8 离散与连续频率范围

 2.9 电动力学和量子力学的类比

 2.10 拓展阅读

第3章 对称性与固态电磁学理论

 3.1 利用对称性对电磁模态进行分类

 3.2 连续平移对称性

 3.2.1 折射率引导

 3.3 离散平移对称性

 3.4 光子能带结构

 3.5 旋转对称性和不可约布里渊区

 3.6 镜面对称和分离模式

 3.7 时间反演不变性

 3.8 Bloch波的传播速度

 3.9 再一次对比电动力学和量子力学

 3.10 拓展阅读

第4章 一维光子晶体

 4.1 多层膜结构

 4.2 光子带隙的物理起源

 4.3 带隙的尺寸

 4.4 光子带隙的衰减模态

 4.5 离轴传播

 4.6 缺陷局域态

 4.7 一维光子晶体的表面态

 4.8 全向多层反射镜

 4.9 拓展阅读

第5章 二维光子晶体

 5.1 二维Bloch态

 5.2 介电材料柱构成的正方晶格光子晶体

 5.3 电介质网络构成的正方晶格光子晶体

 5.4 全偏振态的接近光子带隙

 5.5 平面外传播

 5.6 点缺陷对光的局域化

 5.6.1 宽光子带隙中的点缺陷

 5.7 线缺陷和波导

 5.8 二维光子晶体表面态

 5.9 拓展阅读

第6章 三维光子晶体

 6.1 三维晶格

 6.2 具有接近光子带隙的三维光子晶体

 6.2.1 金刚石型光子晶体

 6.2.2 Yablonovite型光子晶体

 6.2.3 木堆型光子晶体

 6.2.4 反蛋白石型光子晶体

 6.2.5 二维光子晶体堆叠型光子晶体

 6.3 三维光子晶体点缺陷局域态

 6.4 Yablonovite型光子晶体的缺陷态实验

 6.5 三维光子晶体线缺陷局域态

 6.6 三维光子晶体表面态

 6.7 拓展阅读

第7章 周期性介电波导

 7.1 概述

 7.2 二维模型

 7.3 三维周期介电波导

 7.4 对称和偏振

 7.5 周期介电波导中的点缺陷

 7.6 耗损腔的品质因子

 7.7 拓展阅读

第8章 平板光子晶体

 8.1 柱状板和孔状板

 8.2 偏振和平板厚度

 8.3 光子晶体板中的线缺陷

 8.3.1 减小介电材料柱的半径

 8.3.2 移除孔

 8.3.3 衬底、色散和损耗

 8.4 平板光子晶体中的点缺陷

 8.5 不接近光子带隙高Q值的机理

 8.5.1 去局域化

 8.5.2 对消

 8.6 拓展阅读

第9章 光子晶体光纤

 9.1 机制

 9.2 折射率引导型光子晶体光纤

 9.2.1 无限单模光纤

 9.2.2 标量极限和LP模态

 9.2.3 增强非线性效应

 9.3 多孔光纤的光子带隙引导

 9.3.1 多孔光纤光子带隙的来源

 9.3.2 空芯光纤的导模

 9.4 布拉格光纤

 9.4.1 布拉格光纤介绍

 9.4.2 布拉格光纤光子带隙

 9.4.3 布拉格光纤的导模

 9.5 空芯光纤的损耗

 9.5.1 包覆层损耗

 9.5.2 模态耦合

 9.6 拓展阅读

第10章 光子晶体的应用设计

 10.1 概述

 10.2 镜面、波导和谐振腔

 10.2.1 镜面的设计

 10.2.2 波导的设计

 10.2.3 谐振腔的设计

 10.3 窄带滤波器

 10.4 时间耦合模理论

 10.4.1 时间耦合模方程

 10.4.2 滤波器传输

 10.5 弯曲波导

 10.6 波导分束器

 10.7 有损耗的三维滤波器

 10.8 谐振吸收和辐射

 10.9 非线性滤波器和双稳态

 10.10 其他类型应用设计

 10.11 反射、折射和衍射

 10.11.1 反射

 10.11.2 折射和等频图

 10.11.3 特殊的折射和衍射效应

 10.12 拓展阅读

 10.13 小结

附录A 光子晶体与量子力学的类比

附录B 倒易晶格及布里渊区

 B.1 倒易晶格

 B.2 构建倒格矢

 B.3 布里渊区

 B.4 二维晶格

 B.5 三维晶格

 B.6 米勒指数

附录C 光子带隙图集

 C.1 二维光子带隙概览

 C.2 三维带隙概览

附录D 计算光子学

 D.1 概述

 D.2 频域本征值问题

 D.3 频域响应

 D.4 时域模拟

 D.5 平面波本征解

 D.6 拓展阅读及免费软件

参考文献

图书介绍及作者名录



内容摘要
1.1材料性能的调控

技术领域的巨大变革往往来自于人类对材料的深入理解。人类祖先从石器时代到铁器时代的发展，很大程度上是人类逐渐深入理解天然材料性能的过程。史前人类依据他们对石材耐久性和铁制坚硬度的了解制作出工具。古往今来，人类总是可以从赖以生存的地球上获得具有使用价值的材料。

随着时代的发展，早期的工匠们开始不满足于直接使用自然界的原材料，希望将现有的材料开发出更多的可用性能。例如，早期人们利用青铜合金的光泽度制作镜子，现代人将钢筋和混凝土结合起来增加强度。今天，得益于冶金、陶瓷和塑料工业的快速发展，大量性能各异的天然材料基础上发展起来的人工材料涌入了现代人的生活。

进入20世纪，学者对材料性能的调控扩展到了电子领域。半导体物理领域的进步使研究人员能调控特定材料的导电性，进而引发了电子产品中的晶体管革命，这些领域的进步对社会的影响难以估量。随着新的合金和陶瓷技术的发展，科学家们已经发明出了高温超导体和一些可能为未来新技术服务的特殊材料。

在过去的几十年里，调控材料光学特性的新兴领域逐渐发展起来。如果设计和制备出某种特殊的材料，通过全反射、在特定方向传播、在特定空间内限制等方式，能够调控所需频率范围的光波，将会带来巨大的技术变革。例如，能够引导光波的光纤光缆已经彻底地改变了电信行业。光学材料的进步能够推动激光工程、高速计算机和光谱学等领域的发展，这就是本书写作的初衷。

1.2光子晶体

什么样的材料可以完全控制光的传播呢？这个问题可以用现有的电子材料来进行类比说明。晶体是由原子或者分子周期排列构成，而原子或分子在空间周期重复的单元就是晶格。晶体对在其中传输的电子产生周期性势场，晶体的成分和晶格的几何构型共同决定了晶体的导电性。

量子力学理论解释了物理学中周期势场的一个重大谜团：在导电晶体中，为什么电子的传播方式与气体中的自由粒子一样？如何避免被晶格散射？答案是电子以波的形式传播，符合特定条件的电子波可以在周期势场中传播而不发生散射（它们可能会被缺陷或杂质散射）。

重要的是，晶格可以阻碍特定的波传播。晶体的能带结构可能存在光子带隙，即禁止某些拥有特定能量的电子沿特定的方向传播。如果晶格势足够强，这个光子带隙可以扩展并覆盖所有可能的传播方向，形成完全光子带隙。例如，半导体在价带和导带之间存在着完全电子带隙。

光学领域的类似材料就是光子晶体，其中原子或分子被不同介电常数的宏观介质所取代，周期势场被周期介电函数（或等效周期折射率）所代替。如果晶体中材料的介电常数差值足够大，材料对光的吸收最小，那么在各界面上光的折射和反射能够对光子（光模态）产生许多类似于原子势对电子产生的现象。采用光子晶体（低损耗的周期性电介质）就是控制和操纵光的有效方案之一。特别是可以通过设计和构建具有光子带隙的光子晶体，避免特定频率（如特定波长范围或特定颜色）的光沿某些方向传播，光子晶体也能允许光以异常而有效的方式传播。

为了进一步延伸这个概念，也需要考虑金属波导和谐振腔与光子晶体的关系。金属波导和谐振腔广泛应用于微波传输的调控，金属谐振腔的腔壁屏蔽了频率在一定阈值之下的电磁波的传输，金属波导只允许波的轴向传播。对于频率不在微波范围的电磁波，如可见光，如果具有类似的性能也将具有广阔的应用前景。但是，可见光的能量在金属材质中会很快耗散，所以这种光学控制方法不能一概而论。光子晶体可以利用谐振腔和波导的特性来覆盖更宽的频率范围，如可以构建毫米尺度给定形状的光子晶体来调控微波，或者微米尺度的光子晶体来调控红外光。

还有一种广泛应用的光学设备是多层介质镜（Multilayer Dielectric Mirror）如1/4波长多层膜，它由多层不同介电常数的材料交替排列而成。特定波长的光照射到这种多层材料上会被完全反射。原因是光波在材料的每一层界面处被部分反射，如果空间具有周期性，那么入射光的多次反射会发生严重干涉，直至消除光波的传播。1887年，Rayleigh首次阐述了这种众所周知的现象，它是众多光学设备的设计基础，其中包括介质镜、法布里-珀罗滤光器（Fabry-Perot Filters）和分布式反馈激光器（Distributed Feedback Lasers,DFL）等。这些设备均包含一维周期排列的低介电损耗材料，定义为一维光子晶体。即使是最简单的光子晶体都能够拥有令人惊讶的性能。尽管普遍观点认为反射只适用于接近法线的入射光，但通过设计的多层介质材料可以反射从任何角度入射的光，即具有任意角度偏振——全向反射性能。

在某些频率范围内，如果光子晶体能够阻止任何光源向任何方向传播的偏振电磁波，则说明晶体具有完全光子带隙。拥有完全光子带隙的光子晶体很显然是全角度反射器，但反之未必正确。前面提到的多层电介质虽然并没有完全光子带隙（因为材料仅在一个方向上存在界面），但仍能设计成全角度反射器，且仅限于远离晶体的光源。通常为了获得完全光子带隙，最主要方式是电介质晶格必须沿三个轴向周期排列，形成三维光子晶体。但是也有例外，在周期排列的介质中存在少量缺陷并……



精彩内容

本书介绍了具有光子带隙或特定方向上具有周期性的混合型光子晶体，阐述了光子晶体局

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