第5讲_光子晶体的光学特性与制备

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1、研究生课程纳米光学(Nano-Optics)第5讲:光子晶体的光学特性与制备董国艳中国科学院大学材料科学与光电技术学院本讲内容1、光子晶体的光学特性一维光子晶体：全向带隙特性、非线性二次谐波、光学双稳态、光子局域化、典型的一维氧化物光子晶体、一维金属-介电光子晶体二维光子晶体：TM和TE偏振、微腔透射谱和发光谱、慢光效应三维光子晶体2、光子晶体的制备1.机械制备法打孔法逐层堆积法2.化学刻蚀法湿法刻蚀、干法刻蚀、电化学刻蚀、浮雕法3.胶体自组装法4.光刻法5.激光全息干涉刻蚀法2一维光子晶体的光学特性一维

2、光子晶体的光学特性主要取决于光与材料的相互作用，多数情况下取决于光子态密度。(a)没有引入缺陷的态密度(b)引入缺陷的态密度可见，一维光子晶体对光子态密度有很强的修饰效应，可根据要求控制光子输运过程，制备光开关、滤波器、放大器等新型的光学器件。31、一维光子晶体全向带隙特性TETM结构图色散关系图一维光子晶体可能具有完全的光子禁带,具有全向光子带隙的必要条件nnarcsin02arctan1Bmaxnn111max是从n0介质掠入射到介质n1中的最大折射角；是介质nn,界面的布儒斯特角。B

3、1，24四分之一波片结构比较假设n>n,nh=nh=/4,则有21211222Nn12n141n1/n2带隙峰值R2N相对带隙arcsin反射率n1n/n2121n1N为层数，带隙的中心波长，带隙宽度，h相应层厚度光子晶体的概念来源于固体的周期结构思想及电磁场理论，而传统的光学膜系来源于衍射基础上发展起来的薄膜光学，二者存在明显不同：多层膜系是在/4波片的基础上发展起来的；而一维光子晶体只要求存在周期结构，无/4的要求。5实例介质反射镜

4、400–900nm双色滤光片当θ<θ时,才可能出现整个入射角都不能透过的带隙,其中θ对imaxBB应TM波的能带闭合点.并且当n/n,n/n增大时θ将减小，θ增大,进o121imaxB而使全向带隙变宽。Appl.Phys.Lett.68:25(1998)一维全向带隙光子晶体可广泛应用于高反射镜、透射光栅、高通滤波、光波导、微波天线等器件的研制,在其中引入缺陷还可用于制作高品质、低损耗的谐振腔,可用于微波源或激光器的谐振腔。62、一维光子晶体的非线性效应一维光子晶体对光子态密度有进行修饰，通过控制态密度，改变晶体中能量分布，使能

5、量主要聚集在非线性材料部分，从而提高非线性效应，通过恰当地设计晶体结构，实现非线性过程中的相位匹配。产生双共振二次谐振波一维光子晶体带隙两边的光子的态密度很高，将基波和二次谐波分别位于带隙的带边位置，从而提高二次谐波产生的效率，这就是双共振二次谐波ABCDn1n2n1n2d由上式决定，的取值在0和1之间，的值可通过传输矩阵方法数值计算，可以获得双共振二次谐波d同样,如果两激光脉冲频率和位于同一带隙相对两边的共振透12射峰,会使得混频=+的产生效率大为提高。127掺杂结构能使得晶体中的光子态密度集中于杂质层中,如果

6、把非线性材料置于杂质层中,能大幅度提高非线性过程的效率.掺杂层一维光子晶体…Si3N4SiO2ZnSeSiO2Si3N4…一维光子晶体四分之一波片结构单共振条件：当谐波频率位于谐振腔的共振态模式,与体材料相比,二次谐波的能量可以增强1/(1-R)倍,R为反射率。双共振条件：如果基波与谐振腔模式也发生共振，与体材料相比,腔中能量的增强为1/(1-R)3倍。因此，通过增加反射镜的反射率R可以改进谐波产生的效率。8光学双稳态光学双稳态：对于一个给定的入射光强，存在两个可能的、稳定的输出光强状态，而且可以用光学的方法实现两个稳态间的翻

7、转，当输入光强I0由0逐渐变强时，输出的光强I逐渐增大，在I0=I″0时，I有突升，并且晶体由不透明变得透明；当输入光强I0再逐渐减少时，I的下降有滞后现象，而且，在I0=I′0时，I有突降，并且晶体又变得不透明。若输入光强为I0，对应的a时介质不透明状态，让输入光强增大后，再回到I0时，对应的b是透明状态；同一个I0对应的介质有透明，不透明两种稳定状态（光学双稳态）。9光学双稳态效应图为说明双稳态的特性而绘制的一幅图，从左往右看，会觉得中间是头像，然而从右往左看，你会觉得中间的图像是少女。你从左往右看是哪幅图片发生了突

8、变，从右往左你会觉得哪幅图片发生了突变呢?显然，你会觉得两个突变点是不同的，这就是双稳态的特征。头像代表一个稳定态，少女代表一个稳定态，中间的态是不稳定的，却可以相互转换。10光学双稳态将分布式反馈(DFB)结构放置于光子晶体结构的谐振腔中激光的工作波长位于反射镜的禁带中，同