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1、光子晶体简述吉林师范大学韦纪武0808112摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出
2、相应预测。关键字：光子晶体材料制备前景应用光子晶体的原理1、什么是光子晶体光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念1990年，Ho.K.M，
3、等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又
4、称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。２、光子晶体的性质光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出:光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比,当原子被放在一个光子晶体里面,而它的自发辐射光的频率正好落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可
5、以实现辐射增强。光子禁带的出现依赖于以下几个因素:一是光子晶体的结构,二是介电常数的配比,三是光子晶体的几何构形。一般说来,如果光子晶体中2种介质的介电常数的差异足够大,在介质交界面就会发生布拉格散射而且介电常数比越大,入射光被散射的越强烈,出现光子禁带的可能就越大。光子晶体的另一个重要性质是“光子局域”(photonlocalization)。John于1987年提出:在一种精心设计的无序介电材料组成的超晶体中,光子呈现很强的Anderson局域。在光子晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏,在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷
6、态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷位置,一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。另外,二维晶体对入射电场方向不同的ＴＥ,ＴＭ两种偏振模式的光具有不同的光子禁带。关于光子晶体的理论研究由于光子晶体结构与普通晶体结构的类似,普通晶体的许多概念被移植到光子晶体的研究里,如能带、带隙、能态密度等。电子能带的许多处理方法也被延伸用于处理光子能带。继Yablonovitch和John的开创性工作不久,有些人就尝试按照电子能带计算的各种方法,如利用薛定谔方程来计算光子能带,但结论与试验结果不符。这是因为电子自旋为1/2的费米子,是标波量,而光波是自旋为1的玻色子,是矢
7、波量。因此,必须从麦克斯韦方程组出发,在矢量波理论的框架里计算光子晶体的能带结构。平面波展开的方法是在光子晶体能带研究中使用的较早也用得最多的一种方法,虽然该方法有效地揭示光子晶体中的能带结构,但是不能与实验测量直接对应,后来人们又采用了转移矩阵法等计算光子晶体的能带结构和透射系数,下面分别进行阐述。1.1平面波法1990年,美国的何启明、陈子亭和ｓｏｕｋｏｕｌｉｓｈ小组便是利用平面波法第一个成功地预言了在一种具有金刚石结构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带,禁带出现在第二条和第三条能带之间。电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开,可以将麦克斯
8、韦方程组化成一个本征方程,求解的本征值便得到传播光子的本征频率。但是这种方法有明显的缺点:计算量几乎正比于所用平面波数的立方,因而受到严
