光子晶體簡介

關(guān)于光子晶體簡介目錄光子晶體原理光子晶體應(yīng)用光子晶體制備第2頁,共15頁，2024年2月25日，星期天一、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(chǎn)生了周期性的勢場.這種周期勢場的存在,使得運(yùn)動的電子受到周期勢場的布拉格衍射,從而形成能帶結(jié)構(gòu),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(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu),從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動.光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率(如人工造成的空氣空穴)的材料。第3頁,共15頁，2024年2月25日，星期天1.布拉格衍射在物理學(xué)中，布拉格定律給出晶格的相干及不相干散射角度。當(dāng)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(yùn)動把波動以同樣的頻率再發(fā)射出去；這種現(xiàn)象叫彈性散射。當(dāng)中子波與原子核或不成對電子的相干自旋進(jìn)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(chǎn)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。第4頁,共15頁，2024年2月25日，星期天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(jié)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(shù)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(jīng)晶體反射后會產(chǎn)生布拉格尖峰。當(dāng)相位差為2π及其倍數(shù)時，干涉為相長的；這個條件可經(jīng)由布拉格定律表示：

其中n為整數(shù)，λ為入射波的波長，d為原子晶格內(nèi)的平面間距，而θ則為入射波與散射平面間的夾角。在干涉圖樣中，當(dāng)散射波滿足布拉格條件，就會產(chǎn)生非常強(qiáng)的強(qiáng)度，它們叫布拉格尖峰。第5頁,共15頁，2024年2月25日，星期天3、布拉格條件第6頁,共15頁，2024年2月25日，星期天如圖1～3所示的光子晶體材料從一維到三維的結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙.而周期的大小不同,導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng).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(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”。第7頁,共15頁，2024年2月25日，星期天二、光子晶體應(yīng)用1.利用光被禁止出現(xiàn)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(xiàn)允許態(tài),因而這些對應(yīng)的波長的光就能夠產(chǎn)生,這可以用來制備面發(fā)射的激光器第8頁,共15頁，2024年2月25日，星期天2.微波波段可以作為微波天線以及手機(jī)防護(hù)設(shè)備利用光子晶體可以設(shè)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?yàn)榇宋⒉úǘ温湓诠庾泳w的禁帶中,因此基底不會吸收微波,這就實(shí)現(xiàn)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,可以在手機(jī)的天線部位制造微波防護(hù)罩,從而避免對人體有害的微波輻射直接照射手機(jī)用戶。第9頁,共15頁，2024年2月25日，星期天3.制備低閾值的激光器當(dāng)材料可以發(fā)射很寬范圍內(nèi)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(kuò)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(qiáng)度不斷被集中而增強(qiáng).同時,其它波長的光被光子晶體內(nèi)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(nèi)的激光發(fā)射器.

第10頁,共15頁，2024年2月25日，星期天三、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(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)的膠體晶體沒有光子帶隙.對于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(diǎn),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(diǎn)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(yīng)用。第11頁,共15頁，2024年2月25日，星期天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(jīng)被廣泛制備并且應(yīng)用.因?yàn)樗褪俏覀兺ǔＫf的多層膜.制備方法有真空鍍膜技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、分子束外延技術(shù)等第12頁,共15頁，2024年2月25日，星期天2.二維光子晶體的制備在微波或厘米波波段,可以用介質(zhì)棒來構(gòu)成或用機(jī)械鉆孔的辦法;在紅外和光學(xué)波段用刻蝕等方法.最早制作的二維光子晶體是用機(jī)械鉆孔或用介質(zhì)棒方法制得.目前,二維光子晶體的帶隙已經(jīng)達(dá)到紅外和光學(xué)波段.制作二維光子晶體的實(shí)際例子是Bath大學(xué)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(shí)現(xiàn)的.由幾百個傳統(tǒng)的SiO2棒和SiO2毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列,然后在2000℃下把這個結(jié)構(gòu)加熱拉伸產(chǎn)生直徑只有幾微米的長纖維而成第13頁,共15頁，2024年2月25日，星期天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≥0.4a).實(shí)驗(yàn)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(xué)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,我們改為首先在掩膜中刻印方形窗口,然后利用KOH溶液對(100)硅片的各向異性腐蝕特性產(chǎn)生V形尖坑陣列