光子晶体简介

光子晶体简介,目录,一、光子晶体原理,光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.这种周期势场的存在,使得运动的电子受到周期势场的布拉格衍射,从而形成能带结构,带与带之间可能存在带隙.电子波的能量如果落在带隙中,就无法继续传播。与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动.光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。,1.布拉格衍射,在物理学中，布拉格定律给出晶格的相干及不相干散射角度。当X射线入射于原子时，跟任何电磁波一样，它们会使电子云移动。电荷的运动把波动以同样的频率再发射出去；这种现象叫弹性散射。当中子波与原子核或不成对电子的相干自旋进行相互作用时，会发生一种与上述电磁波相近的过程。这些被重新发射出来的波来相互干涉，可能是相长的，也可能是相消的。而所产生的波干涉图样就是衍射分析的基本部份。这种解析叫布拉格衍射。,2.布拉格定律,威廉劳伦斯布拉格使用了一个模型来解释这个结果，模型中晶体为一组各自分离的平行平面，相邻平面间的距离皆为一常数d。他的解释是，如果各平面反射出来的X射线成相长干涉的话，那么入射的X射线经晶体反射后会产生布拉格尖峰。当相位差为2及其倍数时，干涉为相长的；这个条件可经由布拉格定律表示：其中n为整数，为入射波的波长，d为原子晶格内的平面间距，而则为入射波与散射平面间的夹角。在干涉图样中，当散射波满足布拉格条件，就会产生非常强的强度，它们叫布拉格尖峰。,3、布拉格条件,如图13所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在.高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙.而周期的大小不同,导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应.也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。,二、光子晶体应用,1.利用光被禁止出现在光子晶体带隙中作面发射的激光器可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰好落于光子晶体的禁带之中.由于这些波长的光是禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射.而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以用来制备面发射的激光器,2.微波波段可以作为微波天线以及手机防护设备,利用光子晶体可以设计出针对某微波频段的光子晶体.并让该光子晶体作为天线的基片.因为此微波波段落在光子晶体的禁带中,因此基底不会吸收微波,这就实现了无损耗全反射,把能量全部发射到空中.同样利用光子晶体可以抑制某种频率的微波传播的原理,可以在手机的天线部位制造微波防护罩,从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用户。,3.制备低阈值的激光器,当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭而被扩增.在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄波长范围内的激光发射器.,三、光子晶体制备,光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的乙烯（折射率为1.59）,理论计算表明由这些材料构成的面心立方结构的胶体晶体没有光子带隙.对于相对低于空气折射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难使用TiO2来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2有较高的折射率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2包围的球状空气空穴.这样就可以形成三维的光子禁带了.但是这种方法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用。,1.一维光子的制备,一维光子晶体的制备非常简单,而且在光子晶体的概念提出之前就已经被广泛制备并且应用.因为它就是我们通常所说的多层膜.制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束外延技术等,2.二维光子晶体的制备,在微波或厘米波波段,可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法;在红外和光学波段用刻蚀等方法.最早制作的二维光子晶体是用机械钻孔或用介质棒方法制得.目前,二维光子晶体的带隙已经达到红外和光学波段.制作二维光子晶体的实际例子是Bath大学的研制的特别不寻常的“多孔纤维”.这种纤维具有规则的气孔晶格,并且可以无散射的长度连续的传播光波.这是通过围绕一个在中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的.由几百个传统的SiO2棒和SiO2毛细管依次绑在一起组成六角阵列,然后在2000下把这个结构加热拉伸产生直径只有几微米的长纤维而成,P型(100)硅片制备二维光子晶体光子禁带较宽的二维大孔硅光子晶体的填充比也较大(r0.4a).实验中如果直接在掩膜中刻印圆形窗口,则由于孔壁非常薄,将给制版、光刻等工艺带来较大难度,另外,随后的电化学腐蚀过程在垂直于孔洞轴线方向上的各向同性腐蚀会加大孔洞直径.因此,我们