1. 研究目的与意义
近年来，光子晶体的负折射效应逐渐成为光子晶体研究的热点之一。早在1968年俄国科学家Vese—lago就提出了负折射的概念，但对负折射的研究却是直到20世纪初负折射率材料被制备出来后才得以发展起来。由于光子晶体器件具有体积小、寿命长、易于与激光器件集成并且不受外界电磁环境影响等优点，基于光子晶体的光电器件近年来得到广泛地研究并向高度集成化发展。
光子晶体也称光子带隙材料，它是一种由人工设计和制造、介质常数具有一定周期性分布的结构，其最重要的特性就是具有光子带隙，即禁带。自1987年美国科学家Yablonovitch和John提出光子禁带理论。21世纪后，光子晶体便引起了学术界和产业界的密切关注，各国政府机构和一些研究机构纷纷开展了与其有关的理论、材料和器件的研究工作。光子晶体的应用与潜在前景使它成为非线性光学领域的研究热点，并得到了迅速发展。目前，光子晶体的应用有很多，如光子晶体光纤、光子晶体偏振分束器、发光二极管(LED)以及光子晶体激光器等，这些是光子晶体的几种典型应用。
本设计用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)进行仿真分析得到了糖溶液浓度与输出功率的关系，即为接近线性的关系，且线性相关程度受介质柱半径常数的影响。将光子晶体这一特性应用于检测糖溶液浓度，设计了相应的糖溶液浓度检测器，该检测器可实时探测糖溶液浓度。
2. 研究内容与预期目标
研究内容：
本设计用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)进行仿真分析得到了糖溶液浓度与输出功率的关系，即为接近线性的关系，且线性相关程度受介质柱半径常数的影响。将光子晶体这一特性应用于检测糖溶液浓度，设计了相应的糖溶液浓度检测器，该检测器可实时探测糖溶液浓度。
基于光子晶体的结构及其负折射特性，提出了一种溶液浓度探测器。负折射的应用使得出射光与入射光传播方向相反，避免了杂散光的影响，可减小误差。介质柱大小、入射光归一化频率以及基底介质溶液浓度对光子晶体能带结构、出射光功率的影响又能够获得并优化成一定规律变化的输出光功率。利用这些相互影响的关系，最终得出一个可探测糖溶液不同浓度的的功率曲线图。
3. 研究方法与步骤
本设计用时域有限差分法(Finite Difference Time Domain，FDTD)进行仿真分析得到了糖溶液浓度与输出功率的关系，即为接近线性的关系，且线性相关程度受介质柱半径常数的影响。将光子晶体这一特性应用于检测糖溶液浓度，设计了相应的糖溶液浓度检测器，该检测器可实时探测糖溶液浓度。
在二维光子晶体中电磁场可以分解为横电模（TE）和横磁模（TM）。有研究表明，由空气孔组成的光子晶体在TM 模式下的负折射现象较明显，而由介质柱组成的光子晶体在ＴＥ模式下的负折射现象较明显。由于本论文是以硅作为介质柱的二维光子晶体为例，所以采用TE模式。二维光子晶体的介质柱在X-Z平面内周期排列，在一般电介质中Maxwell微分式为：
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4. 参考文献
[1]汤炳书，沈廷根. 二维光子晶体透射特性的 FDTD 数值研究[J].半导体光电，2006, 27(1): 45-48.
[2]杨明玮，肖峻，李锐，等 . 液晶光子晶体的负折射特性研究 [J].光子学报，2013,42(2): 176-180.
[3]冯莉，梁斌明，李卓，等. 入射光频率变化对负折射现象的影响 [J].激光与光电子学进展，2008，45(3): 61-65.
5. 工作计划
（1）2022年3月1日-2022年3月15日：根据任务书，查阅相关文献资料，进行课题调研，学习相关知识，准备开题报告；
（2）2022年3月15日-2022年3月30日：根据查阅的相关资料文献，初步了解设计的文化背景，设计原理以及设计方法，开始撰写开题报告，完成英文翻译；
（3）2022年3月31日-2022年4月30日：熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果；
