光子晶體簡介

1、光子晶體簡介目錄光子晶體原理光子晶體應用光子晶體制備一、光子晶體原理 光子晶體的原理首先是從類比晶體開始的.對于晶體我們可以看到原子是周期性有序排列的,正是這種周期性的排列,才在晶體之中產生了周期性的勢場.這種周期勢場的存在,使得運動的電子受到周期勢場的布拉格衍射,從而形成能帶結構,帶與帶之間可能存在帶隙.電子波的能量如果落在帶隙中,就無法繼續(xù)傳播。 與之類似，光子晶體中是折射率的周期性變化產生了光帶隙結構,從而由光帶隙結構控制著光在光子晶體中的運動.光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現低折射率(如人工造成的空氣空穴)的材料。1.布拉格衍射 在物理學中，布拉格定律給出晶格的相干及不相

2、干散射角度。當X射線入射于原子時，跟任何電磁波一樣，它們會使電子云移動。電荷的運動把波動以同樣的頻率再發(fā)射出去；這種現象叫彈性散射。當中子波與原子核或不成對電子的相干自旋進行相互作用時，會發(fā)生一種與上述電磁波相近的過程。這些被重新發(fā)射出來的波來相互干涉，可能是相長的，也可能是相消的。而所產生的波干涉圖樣就是衍射分析的基本部份。這種解析叫布拉格衍射。2.布拉格定律 威廉勞倫斯布拉格使用了一個模型來解釋這個結果，模型中晶體為一組各自分離的平行平面，相鄰平面間的距離皆為一常數d。他的解釋是，如果各平面反射出來的X射線成相長干涉的話，那么入射的X射線經晶體反射后會產生布拉格尖峰。當相位差為2及其倍數時

3、，干涉為相長的；這個條件可經由布拉格定律表示： 其中n為整數，為入射波的波長，d為原子晶格內的平面間距，而則為入射波與散射平面間的夾角。在干涉圖樣中，當散射波滿足布拉格條件，就會產生非常強的強度，它們叫布拉格尖峰。3、布拉格條件 如圖13所示的光子晶體材料從一維到三維的結構,可以明顯看出周期性的存在.高低折射率的材料交替排列形成周期性結構就可以產生光子晶體帶隙.而周期的大小不同,導致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產生能帶效應.也就是只有某種頻率的光才會在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結構中傳播，即這種結構本身存在“禁帶”

4、。二、光子晶體應用1.利用光被禁止出現在光子晶體帶隙中作面發(fā)射的激光器 可以將發(fā)光層置于光子晶體之中,使其發(fā)光波長恰好落于光子晶體的禁帶之中.由于這些波長的光是禁止的,因而可以抑制發(fā)光層的自發(fā)輻射.而如果通過引入缺陷就可使原來的晶體的禁帶之中出現允許態(tài),因而這些對應的波長的光就能夠產生,這可以用來制備面發(fā)射的激光器2.微波波段可以作為微波天線以及手機防護設備 利用光子晶體可以設計出針對某微波頻段的光子晶體.并讓該光子晶體作為天線的基片.因為此微波波段落在光子晶體的禁帶中,因此基底不會吸收微波,這就實現了無損耗全反射,把能量全部發(fā)射到空中. 同樣利用光子晶體可以抑制某種頻率的微波傳播的原理,可以

5、在手機的天線部位制造微波防護罩,從而避免對人體有害的微波輻射直接照射手機用戶。3.制備低閾值的激光器 當材料可以發(fā)射很寬范圍內的光時,只有符合缺陷模式要求的波長的光波都可以在該材料中自由穿梭而被擴增. 在這樣的材料外層用反射性材料制成“鏡子”從而形成一個激光發(fā)射腔.被選擇的光不斷被連續(xù)反射從而頻繁穿梭于光子晶體中間,故此強度不斷被集中而增強.同時,其它波長的光被光子晶體內部吸收而無法繼續(xù)增大.這意味著可以簡單地得到很窄波長范圍內的激光發(fā)射器. 三、光子晶體制備 光子晶體在自然界是存在的,例如用來裝飾的乙烯（折射率為1.59）,理論計算表明由這些材料構成的面心立方結構的膠體晶體沒有光子帶隙.對于

6、相對低于空氣折射率的小球與空氣空穴造成的折射率差別不足以形成三維帶隙的缺點,人們用以下方法試圖克服這個困難使用TiO2來填充顆粒中的空氣間隙,而TiO2有較高的折射率,最終將顆粒溶解,留下緊密排列的TiO2包圍的球狀空氣空穴.這樣就可以形成三維的光子禁帶了.但是這種方法的缺點也很大,就是在制備的過程中會引入很多很多的缺陷,而且這些缺陷很難控制,這就使該方法很難應用。1.一維光子的制備 一維光子晶體的制備非常簡單,而且在光子晶體的概念提出之前就已經被廣泛制備并且應用.因為它就是我們通常所說的多層膜.制備方法有真空鍍膜技術、溶膠凝膠技術、分子束外延技術等2.二維光子晶體的制備 在微波或厘米波波段,

7、可以用介質棒來構成或用機械鉆孔的辦法;在紅外和光學波段用刻蝕等方法.最早制作的二維光子晶體是用機械鉆孔或用介質棒方法制得.目前,二維光子晶體的帶隙已經達到紅外和光學波段 .制作二維光子晶體的實際例子是Bath大學的研制的特別不尋常的“多孔纖維” .這種纖維具有規(guī)則的氣孔晶格,并且可以無散射的長度連續(xù)的傳播光波.這是通過圍繞一個在中心的固體玻璃核包裹一系列的中空玻璃管來實現的.由幾百個傳統(tǒng)的SiO2棒和SiO2毛細管依次綁在一起組成六角陣列,然后在2000下把這個結構加熱拉伸產生直徑只有幾微米的長纖維而成 P型(100)硅片制備二維光子晶體 光子禁帶較寬的二維大孔硅光子晶體的填充比也較大( r 0.4 a) . 實驗中如果直接在掩膜中刻印圓形窗口,則由于孔壁非常薄,將給制版、光刻等工藝帶來較大難度,另外,隨后的電化學腐蝕過程在垂直于孔洞軸線方向上的各向同性腐蝕會加大孔洞直徑.因此,我們改