光子晶體材料的案例
華中科技大學(xué)朱錦濤、張連斌團(tuán)隊(duì)在光子晶體彈性體材料領(lǐng)域取得進(jìn)展
光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產(chǎn)生的光子帶隙結(jié)構(gòu)，具有調(diào)控光傳播的作用。當(dāng)可見(jiàn)光通過(guò)光子晶體時(shí)，特定頻率的光會(huì)受到光子帶隙的調(diào)制，導(dǎo)致部分可見(jiàn)光不能通過(guò)該材料直接被反射，從而使光子晶體產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結(jié)構(gòu)從而展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。
將光子晶體與聚合物彈性體結(jié)合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學(xué)傳感器等領(lǐng)域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時(shí)又避免不同觀測(cè)角度帶來(lái)的色彩不一致的問(wèn)題仍然是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。針對(duì)上述問(wèn)題，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院朱錦濤、張連斌團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無(wú)角度依賴結(jié)構(gòu)色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機(jī)械損傷以及不同觀測(cè)角度色彩不一致的局限。相關(guān)成果近期發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）雜志上。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
圖 1基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無(wú)角度依賴的結(jié)構(gòu)色彩。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復(fù)合，通過(guò)噴涂或快速溶劑揮發(fā)的方法誘導(dǎo)二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結(jié)構(gòu)的光子晶體材料，該材料展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調(diào)控其結(jié)構(gòu)色彩。該材料還表現(xiàn)出無(wú)角度依賴的結(jié)構(gòu)色，即從不同的角度觀察其顏色不發(fā)生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現(xiàn)出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結(jié)構(gòu)色可發(fā)生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復(fù)到之前的結(jié)構(gòu)色，因此可用于可視化應(yīng)力傳感領(lǐng)域。
展開 江雷院士團(tuán)隊(duì)在光子晶體驅(qū)動(dòng)材料研究取得新進(jìn)展
驅(qū)動(dòng)材料因能用于智能機(jī)器人、微型生物動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域而被廣泛關(guān)注。自然界中比如小麥、松果等很多植物種子的脫落過(guò)程就是受濕度變化誘導(dǎo)不均質(zhì)的體積變化引起。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)材料多是將驅(qū)動(dòng)層和支撐層連接在一起，基于驅(qū)動(dòng)層在外界作用下的體積變化引起驅(qū)動(dòng)。但雙層材料驅(qū)動(dòng)器因其雙層結(jié)構(gòu)間粘附力差在多次驅(qū)動(dòng)過(guò)程中易分離等問(wèn)題很難多次重復(fù)使用，為解決該問(wèn)題，單一化學(xué)組成梯度型驅(qū)動(dòng)材料應(yīng)運(yùn)而生。
江雷團(tuán)隊(duì)在具有超浸潤(rùn)性光子晶體的制備及應(yīng)用方面取得系列進(jìn)展。在此前的工作中，該團(tuán)隊(duì)利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內(nèi)部的梯度的溶劑去浸潤(rùn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象，光子晶體膜發(fā)生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅(qū)動(dòng)性能較差，很難滿足應(yīng)用需求。隨后通過(guò)將液晶單體過(guò)度滲透到膠體晶體模板中并隨后進(jìn)行光聚合，制備了具有連續(xù)彎曲/去彎曲行為的溶劑響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
近期，理化所光子晶體驅(qū)動(dòng)材料研究又取得新進(jìn)展，江雷團(tuán)隊(duì)研究員王京霞與湖南師范大學(xué)教授陳波合作，通過(guò)梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過(guò)程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導(dǎo)致其化學(xué)組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內(nèi)彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結(jié)構(gòu)色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅(qū)動(dòng)行為可以通過(guò)薄膜的化學(xué)組成、孔洞大小及溶劑種類來(lái)調(diào)節(jié)。
展開 中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所李占偉副研究員和孫昭艷研究員團(tuán)隊(duì)在三維膠體光子晶體的組裝和調(diào)控機(jī)制領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工有序微結(jié)構(gòu)。與半導(dǎo)體晶體對(duì)電子的控制類似，光子晶體能夠?qū)?em>光子的存儲(chǔ)和傳播進(jìn)行有效地控制。而且，由于光子之間沒(méi)有相互作用，其對(duì)光子可以實(shí)現(xiàn)比電子更精確的控制，從而進(jìn)一步提升芯片的性能。這就使得光子晶體材料在光通信、量子計(jì)算、光電子集成等領(lǐng)域的應(yīng)用前景不可估量。全空間禁帶三維光子晶體的獲得是諸多應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)的前提。“自下而上”的膠體粒子自組裝為實(shí)現(xiàn)全空間禁帶三維光子晶體制備提供了重要途徑。然而，如何通過(guò)簡(jiǎn)單有效的膠體粒子自組裝策略實(shí)現(xiàn)三維光子晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控，仍是目前國(guó)際光子晶體領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。
已有光子晶體理論預(yù)測(cè)結(jié)果表明，全空間禁帶三維光子晶體通常具有低配位的非緊密堆積結(jié)構(gòu)，如金剛石（diamond）和燒綠石（pyrochlore）晶格等。但是，這些三維低配位晶格在熱力學(xué)上往往是不穩(wěn)定的，由各向同性球形膠體粒子直接組裝是難以實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在膠體粒子表面修飾具有選擇性結(jié)合能力的聚合物 “補(bǔ)丁”獲得“人工原子”，進(jìn)而利用聚合物“補(bǔ)丁”之間的各向異性相互作用誘導(dǎo)膠體粒子組裝為實(shí)現(xiàn)三維低配位晶體結(jié)構(gòu)提供了可行性。目前，基于具有特殊補(bǔ)丁數(shù)目、補(bǔ)丁排列方式和形狀的多補(bǔ)丁膠體粒子，理論模擬已經(jīng)預(yù)測(cè)了金剛石和燒綠石等非緊密堆積晶格。但是，復(fù)雜的多補(bǔ)丁膠體粒子的實(shí)驗(yàn)制備難度和成本同樣是非常大的。如何利用實(shí)驗(yàn)上簡(jiǎn)單易得的補(bǔ)丁膠體粒子自組裝構(gòu)筑三維低配位晶體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)三維膠體光子晶體材料需要解決的核心問(wèn)題。
隨著聚合方法學(xué)的發(fā)展，基于超支化聚合物、聚合物膠束、聚合物接枝納米粒子等體系，實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)能夠制備兩面神和補(bǔ)丁聚合物膠體粒子。
展開 受煮牛奶啟發(fā)，南工大陳蘇教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道大面積光子晶體組裝最新成果
這種結(jié)構(gòu)的材料又被稱為光子晶體。師法自然以自組裝為手段，構(gòu)筑人造有序結(jié)構(gòu)光子晶體引起廣泛關(guān)注。然而，由于組裝有序微結(jié)構(gòu)材料過(guò)程中受到外界環(huán)境諸因素影響，致使光子晶體膜易于產(chǎn)生咖啡環(huán)及開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙了大面積膠體光子晶體膜的構(gòu)筑，成為此領(lǐng)域極富挑戰(zhàn)的課題之一。
近日，南京工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院及材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳蘇教授實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（21736006）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0401700)、江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程、材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金的支持下，發(fā)展了一種膠體光子晶體成膜的新方法，解決了膠體乳液成膜困難、無(wú)法大面積施工的問(wèn)題。該研究成果以“Large-scale colloidal films with robust structural colors”為題發(fā)表在國(guó)際材料頂級(jí)期刊《Materials Horizons》（Jing Zhang, Zhijie Zhu, Ziyi Yu, Luting Ling, Cai-Feng Wang* and Su Chen*， Mater. Horiz., 2018, DOI: 10.1039/c8mh00248g）上。
研究者受到牛奶加熱表面易產(chǎn)生“牛奶皮效應(yīng)”的啟發(fā)，通過(guò)對(duì)液滴組成以及成膜條件的精確控制，巧妙地在膠體粒子組裝過(guò)程中引入一層“膠體皮”，很好地解決了由于非均相體系不均勻揮發(fā)導(dǎo)致的咖啡環(huán)效應(yīng)。基于這一理論，研究者還實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色的全光譜打印，對(duì)功能材料圖案化、高性能器件制備及3D打印、多彩光子晶體墨水創(chuàng)制等具有重要意義。同時(shí)，此方法又可以借助輥涂、噴涂手段分別可實(shí)施結(jié)構(gòu)色的大面積涂覆與膠體粒子的大面積組裝，成功制備出90 × 70 cm的膠體光子晶體膜，并將其用于LED背光源顯示器增亮。
展開 
《AFM》英屬哥倫比亞大學(xué)：來(lái)自纖維素納米晶體的形狀記憶光子熱塑性塑料
【摘要】
使用形狀記憶光子晶體制備的響應(yīng)材料在可重寫光子器件、安全特征和光學(xué)涂層中具有潛在的應(yīng)用。最近，
英屬哥倫比亞大學(xué)
Mark J. MacLachlan
教授
團(tuán)隊(duì)
通過(guò)將
手性向列纖維素納米晶體
(CNC) 嵌入聚丙烯酸酯基質(zhì)中，形狀記憶光子晶體熱塑性塑料 (CNC-SMP) 可以可逆地捕獲不同的顏色狀態(tài)。
在該系統(tǒng)中，溫度用于對(duì)形狀記憶響應(yīng)進(jìn)行編程，而壓力用于壓縮 CNC 手性向列組織的螺距。通過(guò)增加施加的力（≈140-230 N），結(jié)構(gòu)顏色可以從紅色調(diào)整為藍(lán)色。然后，根據(jù)需要，CNC-SMP 可以通過(guò)將其加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上來(lái)恢復(fù)到其原始狀態(tài)。該循環(huán)可以執(zhí)行 15 次以
上，而不會(huì)損失任何形狀記憶行為或樣品的機(jī)械退化。此外，通過(guò)使用帶圖案的基板按壓樣品，可以將多色讀數(shù)編程到手性向列型
CNC-SMP 中，而 CNC-SMP 的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可以通過(guò)改變使用的單體組成在 90 °C 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整制備聚丙烯酸酯基質(zhì)。
相關(guān)論文以題
為
Shape-Memory Photonic Thermoplastics from Cellulose Nanocrystals
發(fā)表在《
A
dvanced Functional Materials
》上。
【主圖導(dǎo)讀】
圖1
手性向列
CNC-SMP 的順序編程和恢復(fù)的示意圖。
展開 JCMsuite應(yīng)用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)緊湊光學(xué)元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關(guān)或放大器。在案例中，計(jì)算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個(gè)被空氣包圍的薄介質(zhì)膜和在一個(gè)規(guī)則的、有限的、六邊形網(wǎng)格上穿孔的圓孔組成。對(duì)于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個(gè)孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)有三個(gè)對(duì)稱平面(x=0, y=0, z=0)，計(jì)算區(qū)域選擇為全結(jié)構(gòu)的1/8，在對(duì)稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網(wǎng)格離散L5空腔幾何形狀(藍(lán)色:介質(zhì)材料，灰色&省略區(qū)域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內(nèi)波長(zhǎng)的光場(chǎng)被定位在腔內(nèi)。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運(yùn)行腳本run_project.m中，從計(jì)算出的特征值出發(fā)，推導(dǎo)出計(jì)算模式的共振波長(zhǎng)以及模式的質(zhì)量因子(Q因子)。
計(jì)算的特征模態(tài)可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
x-z截面基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
展開 有了這種材料還怕表白失敗？——隱形圖案“一氣呵現(xiàn)”
【圖文導(dǎo)讀】
圖 1、光子晶體材料制備及表征
（A）膠體光子晶體顆粒陣列化制備示意圖
（B,C）不同顏色膠體光子晶體顆粒陣列及其表面形貌圖與反射光譜
圖2、隱形圖案“一氣呵現(xiàn)”
圖 3、“一氣呵現(xiàn)” 案例及光子晶體表征
（A）哈口氣致液滴冷凝顯現(xiàn)圖案與液滴揮發(fā)后圖案消失
（B）哈口氣致陣列化膠體光子晶體顏色改變
該研究得到國(guó)自然基金、廣東省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、廣東省特支計(jì)劃、粵港合作、深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)等項(xiàng)目支持。
文獻(xiàn)鏈接：Breath-Taking Patterns: Discontinuous Hydrophilic Regions for Photonic Crystal Beads Assembly and Patterns Revisualization（ACS Appl. Mat. Interfaces，2017，DOI: 10.1021/acsami.7b10359）
本文系論文作者Andy投稿，轉(zhuǎn)自材料牛
展開 JCMsuite應(yīng)用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學(xué)中實(shí)現(xiàn)緊湊光學(xué)元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關(guān)或放大器。在案例中，計(jì)算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個(gè)被空氣包圍的薄介質(zhì)膜和在一個(gè)規(guī)則的、有限的、六邊形網(wǎng)格上穿孔的圓孔組成。對(duì)于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個(gè)孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)有三個(gè)對(duì)稱平面(x=0, y=0, z=0)，計(jì)算區(qū)域選擇為全結(jié)構(gòu)的1/8，在對(duì)稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網(wǎng)格離散L5空腔幾何形狀(藍(lán)色:介質(zhì)材料，灰色&省略區(qū)域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內(nèi)波長(zhǎng)的光場(chǎng)被定位在腔內(nèi)。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運(yùn)行腳本run_project.m中，從計(jì)算出的特征值出發(fā)，推導(dǎo)出計(jì)算模式的共振波長(zhǎng)以及模式的質(zhì)量因子(Q因子)。
計(jì)算的特征模態(tài)可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
x-z截面基模的近場(chǎng)強(qiáng)度
展開 009 – COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導(dǎo)（僅模型文件） ￥40
009 - COMSOL含Kerr材料的二維光子晶體波導(dǎo)（僅包含模型文件，40元）
基本介紹：
主要內(nèi)容：根據(jù)發(fā)表在Journal of Modern Optics上的文獻(xiàn)《A novel proposal for all-optical compact and fast XOR/XNOR gate based on photonic crystal 作者：Golnaz Tavakoli等》，用COMSOL重復(fù)其中的圖2；
計(jì)算所需的內(nèi)存：8 GB；
基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)；
涉及的內(nèi)容：組件耦合-最大最小值、組件耦合-積分、自定義變量、非線性材料（Kerr材料）、完美匹配層、散射邊界條件、參數(shù)化掃描 等；
繪制了：電場(chǎng)模、電場(chǎng)z分量、光強(qiáng)分布、折射率分布；
注意：本案例僅包含模型文件，沒(méi)有講解視頻，不附帶答疑指導(dǎo)。
包含的文件截圖：
詳細(xì)描述：
如上圖所示，基本結(jié)構(gòu)是三角晶格二維光子晶體波導(dǎo)。在兩個(gè)平行波導(dǎo)之間制造一個(gè)“><”形狀的耦合區(qū)域，耦合區(qū)域內(nèi)部的介質(zhì)柱替換為一種 Kerr 非線性材料。
Kerr 非線性材料的折射率與所處位置的光強(qiáng)有關(guān)，可表示為：
其中
光從 A 端口入射，由于 Kerr 非線性材料的折射率與光強(qiáng)有關(guān)，所以光經(jīng)過(guò)“><”形耦合區(qū)域后，入射光強(qiáng)較大時(shí)光主要從 B 端口輸出，而入射光強(qiáng)較小時(shí)光主要從 D 端口輸出。
計(jì)算的內(nèi)容和結(jié)果：
1、當(dāng)入射光強(qiáng)較小時(shí)，電場(chǎng)z分量分布。左：論文中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果
2、當(dāng)入射光強(qiáng)較大時(shí)，電場(chǎng)z分量分布。左：論文中的結(jié)果；右：本案例的結(jié)果
再次提醒：本案例僅包含模型文件，沒(méi)有講解視頻，也不附帶答疑指導(dǎo)。
展開 基于comsol模擬的短程有序的非晶光子晶體能帶
Yablonovitch 發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)與具有傳導(dǎo)和價(jià)帶的半導(dǎo)體類似，并將它們命名為光子晶體（與普林斯頓大學(xué)的 Sajeev John 合作）。光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波，當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時(shí)，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進(jìn)入該晶體。本模型基于“Topological states in amorphous magnetic photonic lattices”（PHYSICAL REVIEW B 99, 045307 (2019)）一文，對(duì)非傳統(tǒng)的一類光子晶體：短程有序的二維非周期光學(xué)系統(tǒng)--非晶磁光子晶格（AMPLs）研究了其能帶及透射行為。
圖1 幾何結(jié)構(gòu)
如圖1所示，我們首先利用comsol建立其基本模型，可以看到我們以一個(gè)四孔結(jié)構(gòu)為一個(gè)周期，并將其陣列化為四份分別排布在四個(gè)角，然后將其旋轉(zhuǎn)至任意角度，這既是光子晶體的原胞。
圖2 材料賦予
我們將幾何分別賦予材料，如圖2所示，我們給非圓孔區(qū)域賦予空氣介質(zhì)，而圓孔區(qū)域賦予相應(yīng)的介質(zhì)材料，折射率實(shí)部為2，折射率虛部為0。
圖3 倒易晶格矢量的計(jì)算
計(jì)算時(shí)我們首先能帶計(jì)算，需要用到的comsol物理場(chǎng)是電磁波頻域，由于晶體具有重復(fù)的機(jī)構(gòu)，因此可以使用周期性邊界條件，這樣一來(lái)只需要一個(gè)原胞，帶隙分析設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于能帶圖中必須對(duì)波矢進(jìn)行掃描，并且，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的缺乏，我們必須計(jì)算整個(gè)第一布里淵區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)，以獲得通帶和帶隙信息。
展開 JCMsuite應(yīng)用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來(lái)創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡(jiǎn)單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來(lái)描述幾何對(duì)象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀。其幾何結(jié)構(gòu)為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計(jì)算得到的空心模式是雙重簡(jiǎn)并的。下圖顯示了計(jì)算得出的模態(tài)強(qiáng)度(第一行)和相應(yīng)的向量場(chǎng)分布(第二行)。
在run_project.m腳本內(nèi)將模板轉(zhuǎn)換為常規(guī)的JCMsuite輸入文件，網(wǎng)格劃分并布局，并運(yùn)行模擬。此外，腳本將結(jié)果結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的特征值寫入控制臺(tái)。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個(gè)例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個(gè)“t”作為對(duì)應(yīng)模板的后綴。模板被設(shè)計(jì)成這樣一種方式，只需要定義幾個(gè)用戶定義的參數(shù)，如圓角、周期、包層環(huán)的數(shù)量等，就可以生成復(fù)雜的布局描述。這些主要的輸入?yún)?shù)是在run_project中設(shè)置的。m腳本。當(dāng)它在Matlab中執(zhí)行時(shí)，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復(fù)雜的文件。因此，可以將JCMsuite語(yǔ)句和Matlab語(yǔ)句進(jìn)行混合，例如，計(jì)算孔隙的點(diǎn)位置。Matlab循環(huán)允許在位移位置或修改形狀生成多個(gè)對(duì)象。
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JCMsuite應(yīng)用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來(lái)創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡(jiǎn)單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來(lái)描述幾何對(duì)象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀。其幾何結(jié)構(gòu)為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個(gè)描述很難“手工”完成，輸入所有點(diǎn)的坐標(biāo)。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個(gè)復(fù)雜的幾何圖形和模擬運(yùn)行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復(fù)雜的文件。因此，可以將JCMsuite語(yǔ)句和Matlab語(yǔ)句進(jìn)行混合，例如，計(jì)算孔隙的點(diǎn)位置。Matlab循環(huán)允許在位移位置或修改形狀生成多個(gè)對(duì)象。關(guān)于該機(jī)制的完整描述可以在Matlab?Interface中找到，并且超出了本例的范圍，本例僅用于演示嵌入式腳本的能力。
這個(gè)例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個(gè)“t”作為對(duì)應(yīng)模板的后綴。模板被設(shè)計(jì)成這樣一種方式，只需要定義幾個(gè)用戶定義的參數(shù)，如圓角、周期、包層環(huán)的數(shù)量等，就可以生成復(fù)雜的布局描述。這些主要的輸入?yún)?shù)是在run_project中設(shè)置的。m腳本。當(dāng)它在Matlab中執(zhí)行時(shí)，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內(nèi)將模板轉(zhuǎn)換為常規(guī)的JCMsuite輸入文件，網(wǎng)格劃分并布局，并運(yùn)行模擬。此外，腳本將結(jié)果結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的特征值寫入控制臺(tái)。
計(jì)算得到的空心模式是雙重簡(jiǎn)并的。
展開 Lumerical光子晶體布拉格光纖仿真應(yīng)用
01 說(shuō)明
FDE求解器可用于精確計(jì)算任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模式，包括光子晶體布拉格光纖。在此示例中，我們計(jì)算并分析了Vienne和Uranus描述的光子晶體布拉格光纖的模式。
02 綜述
模擬文件bragg_PCfiber.lms包含一個(gè)參數(shù)化組對(duì)象，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。最初，在x-min和y-min處使用反對(duì)稱邊界條件以及在x-max和y-max處使用金屬邊界條件設(shè)置模擬。反對(duì)稱邊界條件允許我們僅模擬1/4的結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省時(shí)間。但是，我們必須注意不要漏掉可能需要對(duì)稱條件或?qū)ΨQ和反對(duì)稱條件的組合的重要模式。
03 運(yùn)行和結(jié)果
首先，我們運(yùn)行仿真并切換到分析模式。我們看到其中一種導(dǎo)模的有效折射率約為0.998。下面是圓柱坐標(biāo)系中的Hr圖。
要研究此類結(jié)構(gòu)的損耗，需要在x-max和y-max處的邊界條件設(shè)置為PML，如下所示。我們最初沒(méi)有這樣做，因?yàn)樗鼤?huì)增加計(jì)算時(shí)間，并且會(huì)更難找到導(dǎo)模的有效折射率。當(dāng)我們重新計(jì)算模式時(shí)，我們可以查看折射率0.998附近并發(fā)現(xiàn)不同的模式。
MODE有效折射率結(jié)果與Uranus等人的結(jié)果非常接近。對(duì)于這種對(duì)數(shù)值網(wǎng)格的微小變化（以及實(shí)際制造缺陷）非常敏感的結(jié)構(gòu)，計(jì)算損耗則更加困難，并且需要進(jìn)行一些收斂測(cè)試才能找到更準(zhǔn)確的結(jié)果。
收斂測(cè)試
我們首先將感興趣的兩種模式復(fù)制到全局DECK中，并將它們重命名為TE和HE，如下所示。
我們看到，當(dāng)我們達(dá)到500x500網(wǎng)格數(shù)目時(shí)，有效折射率開始收斂，但需要更多的網(wǎng)格數(shù)目才能獲得更高的精度。根據(jù)計(jì)算機(jī)上的內(nèi)存量，可以將測(cè)試的最大單元數(shù)增加到 600x600或更多。
展開 JCMsuite應(yīng)用：多核光子晶體光纖
在這個(gè)例子中，我們計(jì)算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個(gè)基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個(gè)例子的計(jì)算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內(nèi)。然而，我們要考慮到，由于主導(dǎo)波區(qū)域的折射率并不比外部大，輻射會(huì)泄漏到計(jì)算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應(yīng)用到布局的外部邊界。
下面的圖像顯示了對(duì)選擇的光纖計(jì)算后的模式強(qiáng)度：
在目前的PCF例子中，為了減少計(jì)算成本，應(yīng)用切向磁邊界條件似乎是合理的，因?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對(duì)稱性允許我們將計(jì)算域的大小減少到四分之一。
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在這個(gè)例子中，我們計(jì)算光子晶體光纖(PCF)的本征模如下圖所示。橫截面上的大量空氣孔是使用Lattice Copies生成的，因此一個(gè)基本的幾何圖案可以在布局中放置幾次。
這個(gè)例子的計(jì)算模式很好地限制在被光子晶體圖案包圍的光纖的7芯內(nèi)。然而，我們要考慮到，由于主導(dǎo)波區(qū)域的折射率并不比外部大，輻射會(huì)泄漏到計(jì)算域的外部。因此，我們將透明邊界條件應(yīng)用到布局的外部邊界。
輸入文件所需的基本參數(shù)在基本示例傳播模式中進(jìn)行了描述。作為有效折射率的初始猜想，我們?nèi)≈禐閚eff=1.456略低于纖維材料折射率的值neff=1.4585.
下面的圖像顯示了對(duì)選擇的光纖計(jì)算后的模式強(qiáng)度：
在目前的PCF例子中，為了減少計(jì)算成本，應(yīng)用切向磁邊界條件似乎是合理的，因?yàn)殡妶?chǎng)強(qiáng)度向邊界迅速降低。此外，給定PCF的對(duì)稱性允許我們將計(jì)算域的大小減少到四分之一。
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