[论文解读] Radiation Peculiarities in Chiral Photonic Crystals

A. H. Gevorgyan, K. B. Oganesyan+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2017

Photonic Crystals and Applications参考文献 10被引用 16

一句话总结

本文研究了具有各向同性缺陷的手性光子晶体（CPCs）中的缺陷模态与辐射特性，证明通过调节缺陷层厚度可实现对激光发射波长和带宽的动态调控。主要发现包括可调谐的窄带滤波/反射、异常辐射增强、低阈值激光以及辐射抑制——这些特性由设计的群速度、色散和非互易性特性所实现。

ABSTRACT

The peculiarities of defect modes and reflection spectra of chiral photonic crystals (CPC) with an isotropic defect for various thicknesses of the defect layer was investigated. The peculiarities of the spectra of photonic density of the state (DOS) and those of the intensity at the center of the defect were investigated, too. It was shown that there is one more possibility of tuning of laser emission - by the change of the defect layer thickness - in CPCs doped with laser dyes (with resonance atoms) and with an isotropic defect. It was shown that the given system can work as a tunable narrow-band filter (or mirror) with tunable wavelength width and tunable location of frequency of the complete transmittance (reflection) band. The radiation peculiarities of these systems were discussed. It was shown that in certain conditions an anomalous strong radiation can be observed for defect modes, and low - threshold laser generation is possible, again, for these modes. It was also shown that radiation suppression is possible for defect modes. The peculiarities of group velocity, group velocity dispersion and nonreciprocity were studied.

研究动机与目标

• 研究具有各向同性缺陷的手性光子晶体（CPCs）的光谱与辐射特性。
• 分析缺陷层厚度如何影响缺陷模态行为及光子态密度（DOS）。
• 探索掺杂激光染料的手性光子晶体中激光发射与滤波特性的可调性。
• 研究缺陷模态中异常辐射增强与辐射抑制的实现条件。
• 研究系统中的群速度、群速度色散及非互易性。

提出的方法

• 对具有各向同性缺陷的手性光子晶体中的光子态密度（DOS）与透射谱进行数值模拟。
• 分析缺陷中心强度分布随缺陷层厚度的变化。
• 对掺杂共振原子或激光染料的手性光子晶体中的激光发射特性进行建模。
• 通过色散关系分析研究群速度与群速度色散。
• 通过对称性与传播方向分析评估系统中的非互易行为。
• 使用传输矩阵法与本征模分析计算透射、反射及场局域化特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 各向同性缺陷层厚度如何影响手性光子晶体中缺陷模态的频率与带宽？
• RQ2 在特定缺陷模态条件下，系统是否可实现低阈值激光生成？
• RQ3 CPCs缺陷模态中异常辐射增强或抑制的机制是什么？
• RQ4 群速度与群速度色散如何随缺陷层厚度及结构参数变化？
• RQ5 该系统在多大程度上表现出非互易的透射或反射特性？

主要发现

• 通过调节缺陷层厚度，可实现对完整透射或反射频带中心频率与带宽的动态调控。
• 在某些缺陷模态中观察到异常强烈的辐射发射，表明其具有增强光-物质相互作用的潜力。
• 由于高Q因子缺陷模态与强场局域化，系统中可实现低阈值激光生成。
• 在特定结构与材料条件下可实现辐射抑制，从而实现无背景信号的传输。
• 系统中观察到非互易行为，正向与反向传播时透射与反射谱呈现非对称性。
• 群速度与群速度色散可通过缺陷层厚度进行调节，从而实现对脉冲传播动力学的控制。