光子晶体及其应用.ppt

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1、光子晶体一、光子晶体简介二、光子晶体理论三、光子晶体应用四、光子晶体展望人类材料史利用自然材料石器时代、铜器时代、铁器时代...材料改性青铜、陶瓷、水泥…更深层次电学特性：金属、半导体…磁学特性光学性质光子比电子的优点传播速度更快携带更大信息更大的带宽电子系统：105Hz光纤系统:1015Hz无光子-光子相互作用更小的能量损耗全光通讯二十一世纪：internetera光纤电子器件全光器件能否控制光子的流动？一、光子晶体简介光子晶体（photoniccrystal）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带。Whatisp

2、hotoniccrystal?周期排列的人工微结构材料光子晶体图示构成材料:半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸:毫米、微米、亚微米《科学》1998Bestbets衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向光子晶体概念的产生：到1987年，E.Yablonovitch及S.John不约而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonicbandstructures

3、)。具有光子能带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonicband-gapsystem，简称PBG系统)，或简称光子晶体(photoniccrystals)。光子晶体简介光子和电子都是波粒二象性的光子先认识波动性后认识粒子性描写麦克斯韦方程电子先认识粒子性后认识波动性描写薛定谔方程薛定谔方程的解依赖于作用势无作用势→平面波函数→能级连续库伦势→氢原子波函数→能级分立固体中周期势→布洛赫波函数→能带麦克斯韦方程的解依赖于传播介质无限自由空间→平面波→频率连续波导管→TE/TM型波→截止频率介电常数周期结构→？→能带？光子电子服从方程麦克斯韦（Maxwe

4、ll）方程薛定谔方程对应波矢量波标量波自旋自旋为1的玻色子自旋为1/2的费米子相互作用没有很强固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如右图性质电子晶体光子晶体声子晶体结构结晶体(自然或生长的)由两种(或以上)介电材料构成的周期性结构由两种(或以上)弹性材料构成的周期性结构调控对象电子的输运行为费米子电磁波的传播玻色子机械波的传播玻色子参量普适常数原子数各组元的介电常数各组元的质量密度，声波波度晶格常数1-5Å1m-1cm1mm-1m尺度原子尺度电磁波波长声波波长波德布罗意波(电子

5、)电磁波(光子)机械波(声波)偏振自旋，横波横波与纵波的耦合波动方程薛定谔方程麦克斯韦方程弹性波波动方程特征电子禁带，缺陷态，表面态光子禁带，局域模式，表面态声子禁带，局域模式，表面态光子晶体简介自然界中的光子晶体：光子晶体虽然是个新名词，但自然界中早已存在拥有这种性质的物质。盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化；换言之，是光能隙在玩变色把戏。在生物界中，也不乏光子晶体的踪

6、影。以花间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果.翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶bluegreenyellowbrown2003年ANDREWR.PARKER等发现一种澳洲昆士兰的东北部森林的甲虫（Pachyrhynchusargus），它的外壳分布有和蛋白石一样的光子晶体结构类似物，其具有从任何方向都可见的金属色泽。这种栖息于大陆棚上﹐有着刺毛的低等海生无脊椎动物`海毛虫(seamouse)`具有引人瞩目的虹彩。此种海毛虫的刺毛是由为数众多之六角圆柱体层层叠积形成的结晶状构造物,其具有与光子晶体光纤(ph

7、otoniccrystalfiber)--一样的物理属性。这种刺毛亦能捕捉光线且仅反射某些波长的色光﹐而发出鲜明色彩第一个功败垂成的三维光子晶体遗憾的是，理论学家稍后指出，上述系统因对称性(symmetry)之故，在W和U两个方向上并非真正没有能态存在，只是该频率范围内的能态数目相对较少，因此只具有虚能隙(pseudogap)1989年，Yablonovitch及Gmitter首次尝试在实验上证明三维光子能带结构的存在。实验中采用的周期性介电系统是Al2O3块材中，按照面心立方(face-centeredcubic,fcc)的排列方式钻了将近八千个球状空洞，

8、如此形成一个人造的巨观晶体。三氧化二铝和空气的介电常