光子晶体及其应用

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1、光子晶体及其应用光子晶体(PhotonicCrystal)是一种在微米、亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，按照其折射率变化的周期性，可以分为一维、二维和三维光子晶体，分别见图1〜3.光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出.光子晶体被视为电子晶体的光学领域内的对应物，如同电子晶体的势垒的周期性引起能量禁带一样，光子晶体的折射率的变化也会引起一部分能量的光不能够传输过该结构，这些被禁止的频率区域称为光子禁带(PhtonicBandGap).图1一维光子晶体图2二维光子晶体图3木

2、柴垛结构三维光子晶体图4蛋白石结构三维光子晶体关于光子晶体的研究一开始只是在理论上，因为光波长尺度上的工艺非常困难.1991年，由E.Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子品体后，随着各种工艺的发展，多种多样的晶体结构陆续的被制备出来,许多理论预测得到了验证.其中应用较多的三维结构是“木柴垛结构”（图3）和“蛋白石结构”（图4）.光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质，例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射等等.它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来（图5）(a)(b)(c)

3、5光子晶体的特性之一可以使自发辐射的光只能以单波长输出;也可以使波长相差很小的光分开60°，使其色散达到普通棱镜的500倍.这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值，因而在短短十余年时间内，受到了物理、材料等领域的学者的广泛关注.可以相信，在不久的将来，光子晶体将在基础研宄领域以及光通信、光计算、激光技术等诸多应用领域内起到不可替代的作用.2光子晶体的原理光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的，因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识.对于晶体可以看到原子是周期性有序排列的，

4、正是这种周期性的排列，才在品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散射，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.其实，不论是电磁波，还是其它波（如光波等），只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙.而能量落在带隙中的波同样不能传播.由此我们知道在离子晶体中，离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动.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

5、结构控制着光在光子晶体中的运动.光子品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.如图1〜3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(BandGap，类似于半导体中的禁带，也可以理解为光受到了布拉格散射引起的).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.因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以可以

6、预见到我们能够自由控制光的行为.例如，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.3光子晶体的制备光子晶体在自然界是存在的，例如用来装饰的蛋白石(Opal)，还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉，它们在不同的角度反射不同波长的光.通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的.参见图6

7、〜9.阌6蝴蝶翅膀上而的粉的反射光图7蝴蝶翅膀上的粉的微结构因为Opal形式与后面讲到的小球密堆积完全相同，因而暂且不提.但是，这些都是粗糙的光子晶体，因为它们没有形成完全的禁带.通过Maxwell方程的求解可以发现，完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系.一般说来,两种材料的折射率差值越大，就越有可能形成光子禁带，当两种材料的折射率差大于2的情况，可以形成完全禁带.在自然界尚未曾发现此类的晶体.因而实验研宄使用的光子晶体必须经过人工制备.目前制作光子晶体的材料主要是无机材料，如

8、金刚石，Si，SiO2，TiO2,GaAs，AlGaAs等，另外还有一些金属材料等.主要的思想就是人为的构造周期性的结构.在制备工艺上对于一维、二维和三维而言有许多不同.下面分别进行介绍.最先制备成功的的是三维光子晶体，但是主要工作在微波波段.在可见光部分曾经比较时兴的一种办法是类似于自然界的Opal结构，人工制备亚微米量级的小球