一維、二維光子晶體和電磁吸收材料的遺傳優(yōu)化設計及應用.pdf

1、光子晶體是由不同折射率介質材料通過周期性排列而構成的一種人工材料。人們可以利用光子晶體的禁帶和光子局域化效應來控制光子的傳輸行為，從而為制造光子集成器件提供可能。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，光子晶體在理論和實驗研究上都取得了重大的進展。在這過程當中，光子晶體的優(yōu)化設計起著非常重要的作用。近些年來，作為新一代全局優(yōu)化算法的代表，遺傳算法以其強大的隨機搜索能力和魯棒性得到了廣大設計者們的青睞并廣泛應用到各種光電磁器件的設計中。本文的主要研究內容便是

2、探討遺傳算法在一維、二維光子晶體以及電磁吸收材料(也稱吸波材料)設計中的應用，具體研究內容與結果歸納如下：
　　 (1)基于遺傳算法和傳輸矩陣法，提出了一維光子晶體全方向反射器的通用設計方法。以非四分之一波長膜系構成的準周期光子晶體異質結為模型，得到了適用于光纖通信波段(800～2000nm)、可見光波段(390～780nm)和任意波段(0～2ω0)的全方向反射器設計結果。其中以材料Te和SiO2構造的光纖通信波段全方向反射器具

3、有800～1620nm的工作帶寬，覆蓋了中心波長分別為0.85μm、1.3μm和1.55μm的三個主要光纖通信窗口；以材料SnS2和SiO2構造的可見光波段全方向反射器的工作帶寬為446～779nm，覆蓋了絕大部分可見光；以材料Te和SiO2構造的任意波段全方向反射器具有0.529～2.0ω0的工作帶寬，超過了文獻中報道的設計結果。為了驗證上述設計方法的可行性，特別對光纖通信波段的設計結果進行了相關實驗。采用脈沖激光沉積法制備了光纖通信

4、波段的一維光子晶體全方向反射器并利用近紅外光譜儀對其進行了反射光譜測量，結果顯示測量值與理論值吻合的很好。
　　 (2)提出了基于非對稱元胞設計大完全帶隙二維光子晶體的理念。以正方晶格光子晶體為例，分別以少量六角介質柱和圓形介質柱構成的非對稱元胞為模型，結合遺傳算法和平面波展開法得到了元胞中含有不同數(shù)目介質柱時對應的高頻帶和光頻線以下頻帶二維光子晶體設計結果。其中以五個六角介質柱構成的非對稱元胞具有中心頻率為1.0502×2πc

5、/a和絕對寬度為0.1314×2πc/a的高頻帶完全光子帶隙；而以四個圓形介質柱構成的非對稱元胞結構具有中心頻率為0.4084×2πc/a和絕對寬度為0.0618×2πc/a的光頻線以下頻帶完全光子帶隙。采用多重散射、邊界條件和光子態(tài)密度等理論解釋了上述設計結果的物理意義。
　　 (3)如何同時實現(xiàn)發(fā)射效率優(yōu)化和發(fā)射角度控制是目前二維光子晶體波導定向發(fā)射器設計時存在的主要問題。本文從經(jīng)典的Moreno定向發(fā)射模型出發(fā)，結合天線理

6、論修正了該模型的定向發(fā)射物理機制并提出利用非對稱褶皺出射面來解決上述設計問題的思想。結合遺傳算法和時域有限差分法對非對稱褶皺出射面進行了優(yōu)化，得到了給定發(fā)射角度下的高效率二維光子晶體波導定向發(fā)射器設計結果。此外，基于修正后的物理機制，提出了采用非對稱單層光柵出射面來設計光子晶體定向發(fā)射器的思想。遺傳設計結果表明，利用單層光柵出射面同樣可以得到給定發(fā)射角度下的高效率二維光子晶體波導定向發(fā)射器設計結果，而且得到的定向發(fā)射器從發(fā)射效率和結構復

7、雜程度上都要明顯優(yōu)于利用非對稱褶皺出射面設計得到的定向發(fā)射器，因此可作為一種高性能的波導耦合器件應用到光子集成器件中。
　　 (4)基于傳輸線理論提出了評價平板型吸波材料性能的三個目標函數(shù)。根據(jù)不同納米材料的電磁參數(shù)，分別采用自適應遺傳算法和快速帕累托多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ來設計平板型吸波材料，得到了具有二目標和三目標特征的平板型吸波材料設計方案。通過對設計結果的比較發(fā)現(xiàn)，多目標遺傳算法相對單目標遺傳算法能更好地實現(xiàn)多目標函

8、數(shù)之間的權衡化并提供更為豐富和優(yōu)秀的具有多目標特性的設計結果。例如利用NSGA-Ⅱ得到了一個總厚度為2.81mm的四層吸波材料設計方案，其對2～18GHz范圍內以任意入射角和任意極化方式入射電磁波的平均反射損耗系數(shù)為-11.95dB，反射損耗低于-10dB的平均帶寬為0.52，可應用為一種具有“吸收強、頻帶寬、厚度薄“特點的新一代高性能平板型吸波材料。
　　 作為一種強大的全局優(yōu)化算法，遺傳算法能夠有效地解決各種復雜電磁器件的設