光子晶体及其应用
光子晶体的研究及其应用
光子晶体的研究及其应用光子晶体是指空间微结构周期性排列形成的光子带隙材料，这种材料具有特殊的光学性质。
光子带隙是指在一定频率范围内光子无法通过材料的性质，也即晶体对该频率的光波进行反射或吸收。
这种特殊性质让光子晶体成为一种重要的光学材料，在传感、通信、光学器件等领域具有广泛的应用前景。
一、光子晶体的发现光子晶体的研究起源于19世纪的布拉格散射现象。
20世纪80年代，在半导体技术的基础上，研究人员开始尝试制备光学晶体。
1992年，来自日本冈山大学的研究人员首次报道了用二氧化硅微球制备的三维光子晶体，引起了学术界的广泛关注。
此后，光子晶体研究迅速发展，不断涌现出各种新型材料和制备方法。
二、光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要包括自组装法、光刻法、原子层沉积法等多种方式。
其中，自组装法是其中最为常用的方法之一。
通过自组装技术，在介孔材料中添加有机分子和水，利用溶剂挥发和多种相互作用力的复合效应，可制备出具有周期性结构的光子晶体。
三、光子晶体的应用光子晶体的应用非常广泛，包括传感、通信、光学器件等多个领域。
1. 传感：光子晶体在传感领域的应用主要体现在生化传感和环境监测。
利用气敏材料、生物分子等将较小的变化转化为对光子晶体的微观结构和大小的影响，从而实现对较小物理量的测量和监测。
例如，利用光子晶体制备的生物芯片可实现对一系列生物分子的灵敏检测，具有在诊断和治疗等方面的广泛应用前景。
2. 通信：在通信领域，光子晶体可以作为光学滤波器来实现光信号的选择和放大，并可用于光纤通信系统、微波光子学等多种场合。
例如，利用光子晶体制备的微腔可实现高质量光学微腔，可在通信系统中用于调制、开关、振荡等多种操作。
3. 光学器件：最新的研究表明，在光学器件中，光子晶体可被应用于光电子集成领域，使光电器件变得更加紧凑和高效。
例如，利用纳米级光子晶体制备的激光器，可实现更高的输出功率和较低的阈值电流。
据估计，这些性能优良的光学器件未来可能取代现有的微电子器件，成为下一代高速处理和信息传输系统的核心。
光子晶体及其应用
子晶体定义中被排除在 外，不算光子晶体，但 一维光子晶体与二维、 三维的光子晶体在物理 本质上有相通之处
• 一维光子晶体:
– 光栅 – 多层介质膜
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(2)
• 二维光子晶体分为平
板和光纤两大类
• 平板：光波主要在二
维光子晶体所在平面 内传播
光子晶体在光通信中的应用
二维光子晶体：光子
• Index Guided
－不是真正的“光子 晶体光纤”
－包层含有空气孔， 芯区没有孔，只有SiO2
－包层平均折射率小于 芯区，靠全反射导光
• Band Gap Guided
－真正用光子晶体特性导光 －包层是二维光子晶体(Ring型为一维光子晶体) －频率落在带隙内的光波无法穿透包层而辐射，从而被限制
内容提要
光子晶体简介
– 光子晶体能带的形成 – 光子晶体能带特性与功能
光子晶体在光通信系统的应用
– 一维光子晶体 – 二维光子晶体
光子晶体能带的形成:
散射
• 杂乱介质中的光散射
– 光波波长λ»杂质平均间 隔a：Rayleigh散射 光子平均自由程l∝a4 能量以扩散方式传播
– λ«a: 几何光学，l≥a, 能量以波动方式传播
的带隙为全带隙
• 带隙有频率,角度
(方向)、偏振相关 性
光子晶体能带的形成: 缺陷
• 带隙中的波：指数增长(衰减)形,在纯光子晶体中不能存
在，只能在缺陷中存在
• 缺陷能级：缺陷态所处的能级，位于带隙中 • 点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷 • 利用带隙限制光，利用缺陷传导光：形成功能器件
光子晶体能带特性与功能: 光子晶体分类与基本结构(1)
光子晶体材料研究进展及应用前景
光子晶体材料研究进展及应用前景随着科学技术的不断进步，人们对于材料的研究也越来越深入。
在新材料领域中，光子晶体材料的研究一直备受关注。
它的出现不仅改变了传统材料的性质，而且在光电子、能源等领域具有广泛的应用前景。
本文将介绍光子晶体材料的研究进展及其应用前景。
一、光子晶体材料的基础概念光子晶体材料，其实就是一种具有光子带隙的晶体材料。
简单来说，就是通过在材料中引入周期性结构，从而达到对于某些频率的光线有选择性的反射或折射，使其不能通过材料的表面，从而形成光子带隙。
光子晶体材料不仅可以对于光线起到滤波器的作用，而且具有传统材料所没有的一些新颖性质，比如能够在材料内部引发较为复杂的相互作用，从而实现信息处理、光学传输等。
二、光子晶体材料的研究进展1. 光子晶体材料的制备光子晶体材料的制备是研究的基础。
传统的光子晶体材料制备方法包括光刻、等离子体刻蚀、溶胶-凝胶法等。
然而，这些方法不仅操作复杂，而且成本较高。
因此，研究人员开始关注通过自组装的方法制备光子晶体材料。
目前，自组装光子晶体材料的制备方法包括: 溶液自组装法、模板法、电沉积法、表面修饰法等。
这些新的制备方法的出现，使得光子晶体材料制备变得更加容易和便捷。
2. 光子晶体材料特殊性质的研究对于光子晶体材料的特殊性质的研究，则是深入理解该材料的关键所在。
目前，研究人员发现，由于光子晶体具有纳米级别的周期性结构，其表现出来的性质和传统材料是不同的，比如光子晶体的多级结构和空洞结构的存在使得材料中存在的能带不止一个，从而能够过滤更宽波长的光线。
此外，研究人员还发现当光子晶体中存在缺陷时，其在光电子学、微波强度识别、传感器等方面的应用具有广泛的前景。
三、光子晶体材料的应用前景1. 光子晶体过滤器由于光子晶体材料能够对于特定波长的光线进行选择性的反射或折射，发挥着像过滤器一样的作用，因此其被广泛地应用于光子晶体过滤器的制造中。
在光纤通讯技术方面，光子晶体过滤器可以滤除带宽噪声，提高信号的传输质量和分辨率；在图像处理方面，它可以过滤掉光干扰，减少图像的噪声和失真，提高图像的清晰度和质量。
光子晶体原理及应用
一、绪论1.1光子晶体的基本概念光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。
在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。
人们又将光子晶体称为光子带隙材料。
与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。
一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。
实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。
二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。
光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。
1.2光子带隙光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。
研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。
所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。
所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。
总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。
二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究2.1一维光子晶体的传输矩阵法设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的折射率是nb，厚度为hb，那么周期d=a+b，A、B总层数为N。
以AB材料进行仿真计算。
仿真程序clear allna=2.35;nb=1.38;ha=63.8e-9;hb=108.7e-9;yeta1=na;yeta2=nb;yeta0=1;bo=400:1:900;derta1=(2*pi*na*ha)./(bo*1e-9);derta2=(2*pi*nb*hb)./(bo*1e-9);num=length(bo);for j=1:num;Ma=[cos(derta1(j)),-i*sin(derta1(j))./yeta1;-i*yeta1*sin(derta1(j)),cos(derta1(j))]; Mb=[cos(derta2(j)),-i*sin(derta2(j))./yeta2;-i*yeta2*sin(derta2(j)),cos(derta2(j))]; Mab=Ma*Mb;N=10;M=Mab^N;Rfan(j)=abs((M(1,1)*(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*(yeta0)-M(2,1)-M(2,2)*(yeta0))./(M(1, 1) *(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*sqrt(yeta0)+M(2,1)+M(2,2)*(yeta0)))^2;endfigure(1);plot(bo,Rfan,'k');box on;首先，我们A材料的折射率为2.35，B材料的折射率为1.38，AB材料组成的光子晶体的介质层数为10层，进行了matlab仿真，得到如下的图形然后我们更改介质层数为20层：最后我们更改介质层数为30层：对比以上三个图我们可以看出，一维二元光子晶体的投射特性与组成光子晶体的介质层数有关，介质层周期越大，越有利于形成禁带。
光子晶体及其应用
光子晶体及其应用光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，由于其特殊的光学性质和结构，被广泛应用在光学器件、生物医学、光通讯等领域。
本文将介绍光子晶体的基本概念、结构特点及其在不同领域的应用。
一、光子晶体的基本概念光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在这个材料中，电子波照到晶体上会被电子所反射。
同样的道理，光子晶体中的光波照到晶体中也会发生反射。
由于光子晶体中的周期性结构，其对光的反射和透射具有非常特殊的光学性质，可以用来控制光的传播和强度分布。
二、光子晶体的结构特点光子晶体的结构可以分为一维、二维和三维结构。
其中，三维结构的光子晶体最为复杂和多样化，其结构可以类比于晶体的结构，具有完美的晶体周期性。
二维光子晶体是由两层周期性平面构成的，一维光子晶体是由一个周期性结构构成的。
除了结构上的区别，光子晶体还具有以下特点：1、色散关系特殊。
光子晶体中的色散关系与普通媒质不同，有时会呈现出反常色散现象。
2、布拉格反射。
在光子晶体中，光波照射到晶体上会发生布拉格反射现象，即光受到反射的角度与入射角度相等，反射后的光波会受到相位差。
3、光波导。
在光子晶体中，由于其介质介电常数的周期性变化，可以形成光子带隙，从而达到光波导的目的。
三、光子晶体的应用1、光学器件。
光子晶体具有良好的光学性质，可以用来制造滤光器、反射镜、光纤等光学器件。
2、生物医学。
光子晶体可以用于生物医学，如制作一些新型传感器、生物分子的检测等。
3、光通讯。
光子晶体光纤可以提高光通讯的传输速度和质量，有效地消除光波导结构中存在的散射问题。
4、太阳能电池。
光子晶体可以制造太阳能电池，利用传统的硅基太阳能电池反射的光线转化为光子波导，达到吸收更多的光线能量的效果。
5、光学计算。
光子晶体可以用来制造光学计算器，这种计算器以光子晶体为介质，将光传递过程中的衍射、干涉等光学效应应用于计算。
光子晶体作为一种新型的光学材料，具有良好的光学性质和应用前景。
随着科技的不断发展，光子晶体在各个领域的应用前景也将越来越广泛。
光子晶体研究及其应用
光子晶体研究及其应用光子晶体是一种周期性介质，在空间上呈现出有序的几何结构，它可以控制光线的传播。
在近年来，光子晶体引起了很大的关注，因为它在光学器件中具有广泛的应用，例如：激光器、光电子器件、传感器和光学通信等领域。
一、光子晶体的研究历史与现状光子晶体概念自从1987年以来由英国牛津大学的尤里·坦普尔和格奥尔格·韦克曼提出，随着材料科学和光学技术的发展，光子晶体的研究不断取得了新突破和发展。
1989年，美国华盛顿大学的理查德·范多默伦等人在实验中首次制造出了光子晶体，表明了光子晶体在光学器件制造领域中的巨大潜力。
此后，众多科学家与研究人员相继开展了有关光子晶体的相关研究，并将它们应用到了各种光电子器件中。
二、光子晶体的性质和应用光子晶体具有两个主要特点：光子带隙和光子反常散射。
其中，光子带隙是指在特定波长范围内，光子无法通过光子晶体传播，这种特性使其在制造光学滤波器、光纤和激光器等领域中应用广泛。
光子晶体的另一项重要特性是光子反常散射。
相比传统的材料，光子晶体中的散射更加地强烈和扩散，这是因为光子晶体中的介电常数具有可调性，散射率因此被调控。
这种性质可以被利用来构建新颖的光学器件，例如光子晶体波导和光子晶体放大器，这些器件能够在新兴的纳米和微尺度光学器件中发挥关键作用。
除了在微型光学器件中的应用，光子晶体在光学成像、传感领域也有广泛的应用。
基于光子晶体的衍射成像技术，科学家可以通过光学显微镜直接观察到生物细胞的内部，掌握更详细的结构信息。
同时，光子晶体也被应用于传感器的研究中，利用其微细结构调节光学信号的特性，提高传感器的灵敏度。
三、光子晶体未来的发展前景随着光学技术的不断创新和完善，对新型材料和器件的研究需求也在加强。
在这样的推动下，光子晶体作为一种优良的周期性介质材料，具有着巨大的发展潜力。
未来，光子晶体的应用可以进一步拓展到可穿戴设备、量子计算、生物医学等领域，应用场景将变得更广泛更细化。
光子晶体材料的研究进展及其应用前景
光子晶体材料的研究进展及其应用前景随着科学技术的不断进步，人类在材料领域的研究也逐渐深入。
其中，光子晶体材料作为一种前沿材料，受到越来越多的关注和研究。
本文将从定义、研究进展和应用前景三个方面介绍光子晶体材料。
一、定义光子晶体材料是一种新型晶体材料，具有周期性的光学性质，与普通石墨烯等材料不同，它是一种具有光学结构的材料。
所谓光学结构，是指物质的微小结构排列形成的一种如同棋盘格一样的结构，这种结构可以限定光的传播方向和波长范围。
二、研究进展1. 光子晶体材料的制备技术不断提高光子晶体材料的制备技术主要包括自组装、浸渍、拉伸、方法等多种方法。
近年来，制备技术不断提高，材料的质量和稳定性也得到了不断提高。
2. 光子晶体材料的性质研究逐渐深入在光子晶体材料的制备基础上，人们开始对其性质进行深入研究。
例如光子晶体材料的透过光谱、反射谱和色散曲线等性质都成为了研究对象。
通过对这些性质的研究，人们可以了解材料的光学性质，并进一步研究材料的应用前景。
3. 光子晶体材料的应用领域不断扩展光子晶体材料可以应用于电子领域、化学领域、材料研究领域等多个领域，其应用前景越来越广阔。
例如可以应用于储能器件、传感器、太阳能电池等领域。
三、应用前景1. 储能器件光子晶体材料具有高禁带宽度和低折射率等性质，与常规储能材料相比，其储能能力和稳定性得到了良好提升。
因此，光子晶体材料被广泛应用于储能器件领域。
2. 传感器光子晶体材料具有高灵敏度和选择性等性质，这使得光子晶体材料可以应用于传感器领域。
例如可以应用于气体、水质、温度传感等领域，使得传感器的快速响应和灵敏度得到了良好提高。
3. 太阳能电池光子晶体材料可以制备成具有不同孔径和结构的二维和三维结构，这使得其可以作为高效太阳能电池的构建单元。
例如可以制备成具有周期性微纳结构的薄膜，该薄膜具有较高的吸收率和低反射率，因此被广泛应用于太阳能电池领域。
综上所述，光子晶体材料作为一种新型晶体材料，具有众多优良的性质，并且在应用领域上具有广泛的发展前景。
光子晶体技术的研究进展与应用前景
光子晶体技术的研究进展与应用前景光子晶体是指在纳米尺度的范围内，通过控制材料的晶格结构使得电磁波的传输特性发生改变的一种新型材料。
随着纳米技术的不断发展和进步，光子晶体技术也在不断地被研究和应用。
其应用领域包括光电子学、光信息处理、基础研究等众多领域，其前景非常广阔。
一、光子晶体的基本原理光子晶体是由空气或其他物质的等间距排列的球形或柱形结构组成。
其特点是具有周期性结构，制备时要求每个元部件的大小和位置要满足一定的限制。
在光子晶体中，当光子的波长和晶格常数具有相同的数量级时，发生Bragg衍射。
由于光子晶体的等间距排列结构和Bragg衍射的原理，使得其具有优异的光学性能。
因此，光子晶体被应用在许多领域中，如光电子材料、光信息处理、生物医学等领域。
二、光子晶体的应用1.光子晶体的应用于太阳能电池光子晶体能够有效地控制光子的传输，这使其成为一个理想的材料用来提高太阳能电池的效率。
通过将光子晶体嵌入到太阳能电池中，可以增强太阳能电池的吸收效率，提高太阳能电池的转换效率。
事实上，研究发现，将光子晶体嵌入到太阳能电池中，其转换效率可以提高约30%。
因此，光子晶体在太阳能电池中的应用是非常有前途的。
2. 光子晶体的应用于生物医学光子晶体能够通过改变光子的波长，来识别某种特定的生物大分子，例如蛋白质和DNA等。
这一特点使得光子晶体在生物医学领域中的应用具有很大的潜力。
例如，可以使用光子晶体来制备高灵敏的生物传感器，以检测某种特定的生物分子。
此外，光子晶体还可以用于制备药物传输系统，以实现精准治疗。
由于其在生物医学领域的广泛应用，光子晶体技术已经逐渐成为了当今生物医学领域的热门研究课题。
3.光子晶体的应用于光纤通信光子晶体能够通过调整光子的传输效应来控制光纤中的波导，并且能够使波导具有更好的光学性能。
这使光子晶体成为一种理想的材料，用于光纤通信中的波导制备。
实际上，光子晶体在现代光纤通信网络中已经开始得到广泛的应用。
光子晶体材料的性质及其应用
光子晶体材料的性质及其应用随着科技不断进步发展，材料领域也不断涌现各种新材料。
其中，光子晶体材料引起了广泛的关注和研究。
它是一种由周期性的折射率变化构成的材料，具有许多优异的性质和应用。
本文将介绍光子晶体材料的性质及其应用。
一、光子晶体材料的基本结构和性质1.基本结构光子晶体材料的基本结构是周期性的空气和介质的层状结构。
其中，空气具有比介质更低的折射率，二者交替排列，形成了周期性的光子带隙。
这些光子带隙可以阻挡光子的传播，从而实现光子晶体材料的各种奇妙性质。
2.折射率光子晶体材料具有非常稳定的光学性质，其折射率可以在很大程度上进行调控。
这是由于光子晶体材料的周期性结构，经过一定处理后，可以使折射率发生变化，从而实现对光子的控制和调控。
3.光子带隙光子晶体材料的周期性结构可以阻挡特定波长范围光子的传播，这被称为光子带隙。
这些光子带隙的大小和位置可以随着光子晶体材料结构的改变而变化，这使得光子晶体材料在各种领域的应用具有非常广泛的前景。
二、光子晶体材料的应用1.传感器光子晶体材料的周期性结构可以被用作各种各样的传感器。
由于光子晶体材料的折射率可以随着外部环境的改变而发生变化，因此可以对光子晶体材料进行不同的处理和改变结构，使得它对物理、化学和环境参数等的敏感度得到很好的控制。
这为制造高灵敏传感器提供了一个有效的途径。
2.光子晶体激光光子晶体材料由于具有宽禁带隙和高折射率差，因此具有开发新型微型激光器的潜力。
与传统激光器相比，光子晶体激光器具有更小的模式体积和更好的束缚能力。
这些优点使得光子晶体激光器在各个领域都有广泛的应用。
3.光子晶体光学波导光子晶体材料的周期性结构使得它可以被用作光束引导器和光学开关。
在光学通信和数据存储中，光子晶体光学波导被广泛应用。
它具有低损耗、高质量因子和可控制的传送特性等优越性能。
4.光子晶体滤波器光子晶体材料还可以用作高效的光滤波器和光谱分析器。
光子晶体材料的周期性结构使得它能够精细控制光的传播和反射，从而实现了很好的滤波效果。
光子晶体简介及应用
光子晶体及其应用的研究(程立锋物理电子学)摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。
近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。
的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。
迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。
光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。
关键词：光子晶体；算法；应用；1光子晶体简介在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。
推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。
半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。
但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。
人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。
与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。
光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。
电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。
光子晶体的新材料及应用
光子晶体的新材料及应用光子晶体是一种由一维、二维或三维周期性结构组成的材料。
光子晶体具有多种优良的光学特性，如光子带隙、负折射率、高色散等，因此在光学器件和光子学中有着广泛的应用。
一、光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要有自组装法、光刻法、溶胶-凝胶法、电化学法、离子束法和模板法等。
其中，自组装法是目前最常用的制备方法之一，它将聚集的矽烷或金属离子自发排列成三维光子晶体结构，在光子带隙的位置会出现光的反射与折射，形成有特殊光学性质的材料。
二、新型光子晶体材料1、量子点光子晶体量子点是一种极小尺寸的材料，具有发光和荧光性质，并具有尺寸效应等特性。
将量子点与光子晶体结合起来可制得量子点光子晶体材料，拥有多个光子能带隙和多重发光谱的特性，有望广泛应用于生物医学成像、信息存储、光电器件等领域。
2、纳米线光子晶体纳米线光子晶体是由一维或二维有序排列的纳米线构成的光子晶体材料，拥有很高的表面积和与光相互作用的有效面积。
纳米线光子晶体的光电性能在光传感和太阳能电池等领域有广泛应用前景。
3、金属有机骨架光子晶体金属有机骨架（MOF）是一种由金属离子和有机小分子通过共价键或配位键链接构成的材料。
研究人员发现，MOF可作为一种新型、有前途的光子晶体材料，用于气体分离、药物运载、光催化和光采集等方面。
三、光子晶体的应用光子晶体具有多种优异的光学特性，因此在各种光子学器件和光学器件中有广泛的应用，如激光、光通信、光传感、光敏器件、太阳能电池等。
以下是几个典型的应用案例：1、光子晶体光纤光子晶体光纤是一种用于光通信和制备光纤传感器的新型光学芯片，其特点是有多个光子带隙，能抑制传输波长的传输，避免光的散射和衰减，可大幅提高光纤传输信号的稳定性和精度。
2、光子晶体传感器光子晶体传感器是利用光子晶体的光学结构和生物分子的相互作用实现物质检测的传感器。
它不仅具有高灵敏度、快速响应和高可重复性的优良特性，而且可以实现对多种不同物质的高效检测。
光子晶体的研究及其应用
光子晶体的研究及其应用【摘要】光子晶体是80年代末提出的新概念和新材料.本文简单叙述了光子晶体及其理论研究，并重点阐述了光子晶体的制备及其应用。
【关键词】光子晶体；周期性结构；介电材料；光子禁带；光子局域；光子晶体光纤1 关于光子晶体的理论研究由于光子晶体结构与普通晶体结构的类似，普通晶体的许多概念被移植到光子晶体的研究里，如能带、带隙、能态密度等。
电子能带的许多处理方法也被延伸用于处理光子能带。
继yablonovith 和john 的开创性工作不久，有些人就尝试按照电子能带计算的各种方法，如利用薛定谔方程来计算光子能带，但结论与试验结果不符。
这是因为电子自旋为1/ 2 的费米子，是标波量，而光波是自旋为1 的玻色子，是矢波量。
因此，必须从麦克斯韦方程组出发，在矢量波理论的框架里计算光子晶体的能带结构。
平面波展开的方法是在光子晶体能带研究中使用的较早也用得最多的一种方法，虽然该方法有效地揭示光子晶体中的能带结构，但是不能与实验测量直接对应，后来人们又采用了转移矩阵法等计算光子晶体的能带结构和透射系数，下面分别进行阐述。
1.1平面波法1990 年，美国的何启明、陈子亭和soukoulish 小组便是利用平面波法第一个成功地预言了在一种具有金刚石结构的三维光子晶体中存在完整的光子禁带，禁带出现在第二条和第三条能带之间。
电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开，可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程，求解的本征值便得到传播光子的本征频率。
但是这种方法有明显的缺点：计算量几乎正比于所用平面波数的立方，因而受到严格的约束，对某些情况显得无能为力。
如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，需要大量平面波，会因计算能力的限制而不能计算或难以准确计算。
如果介电常数不是恒值而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，展开中可能出现发散，导致根本无法求解。
1.2 差分或有限差分法该方法是将一个单位原胞划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分方程，利用布里渊区边界的周期条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程。
光子晶体材料及其应用前景
光子晶体材料及其应用前景随着科技的不断发展，新型材料的出现给人类的生活带来了越来越多的可能性。
光子晶体材料作为一种新型材料，具有独特的光学和物理性质，被广泛关注。
本文将介绍光子晶体材料的基本概念以及其在不同领域的应用前景。
一、光子晶体材料的基本概念光子晶体材料是指由周期性物理结构组成的一种材料，其周期性结构可以与光波的传播方向相互匹配。
这种材料具有一个重要特点，即它们能够在某些特定频率范围内存在完全的光子禁带，从而完全禁止了光的传播。
这种光子禁带称为“光子带隙”。
光子晶体材料的周期性结构通常是由一些介质球或长棒子排列在有序的三维结构中形成的。
这些微观结构的周期性会导致材料宏观性质的周期变化，从而导致一些独特的光学和物理性质。
二、光子晶体材料在新型器件中的应用1. 激光激光是现代通信和信息技术中的重要组成部分，而光子晶体材料可以用于制作高品质的激光。
光子晶体材料的结构可以确保在材料内部的光线完全受限，从而产生高光增益、长寿命和高偏振性质的激光。
这使得光子晶体材料成为用于制作高性能激光器件的完美材料。
2. 显示器随着人们对显示器分辨率和色彩要求的不断提高，光子晶体材料在这个领域也开始发挥作用。
由于光子晶体材料的周期性结构，其可以通过控制其周期性结构来调整其反射、透射和散射性质，从而实现最大的色散、亮度和对比度。
这种优势使得光子晶体材料成为下一代高清晰度和高性能显示器的理想选择。
3. 传感器光子晶体材料的特殊结构也使其成为传感器的重要材料。
例如，通过测量在光子晶体材料中存在的光子带隙的频率和强度变化，可以检测目标物质的存在和浓度变化。
此外，光子晶体材料的微小尺寸和高灵敏度也使其成为纳米级别生物传感器的一种选择。
三、光子晶体材料的未来前景光子晶体材料具有出色的光学和物理性质，使其在不同领域都有着广泛的应用前景。
随着技术的不断进步，光子晶体材料的制备工艺也在不断提升，同时也使其更加容易、经济和可扩展，这使得其在大规模应用中更有活力。
光子晶体材料及其应用
光子晶体材料及其应用光子晶体材料是指由具有规则的透明材料排列而成的具有光子晶格效应的人工材料。
该材料的结构类似于自然中的晶体，但其单位结构尺寸比普通晶体小得多，通常在纳米级别范围内。
光子晶体材料具有独特的光学性质，被广泛应用于化学、物理、生物等领域。
光子晶体材料的制备分为两种方法：成核生长法和自组装法。
其中自组装法是一种较为简便的方法，利用表面活性剂的性质将光子晶体材料的微粒组织排列起来，制成具有光子晶体结构的材料。
这种方法的优点是生产效率高，且制备的光子晶体材料具有较高的稳定性和均匀性。
光子晶体材料的特殊结构使其具有一定的光电性质，例如在不同的入射角度、波长或极化状态下，光子晶体材料的光学性质会发生变化。
这种特性使得光子晶体材料可被应用于光纤通信、信息存储、太阳能电池等领域。
光子晶体材料在化学领域中被广泛应用，例如作为化学传感器，可通过材料中的某些化学基团响应外加化学物质而产生光学信号，从而实现对环境中的特定化学物质的检测。
此外，光子晶体材料还可被用作新型的分离材料，用于生物分子的富集和分离。
在物理学领域，光子晶体材料的应用主要涉及到光学芯片、激光等方面。
由于光子晶体材料的光学性质随角度的改变而变化，所以可以通过对材料的构造进行设计和调控，实现对光学信息传输的控制。
在生物医学方面，光子晶体材料已被证实具有较高的生物相容性，可以被用于生物成像、检测以及光动力治疗等领域。
此外，光子晶体材料还可被用作实现药物的缓释和定向输送。
虽然光子晶体材料具有诸多优点，但其制备过程仍然面临一些挑战，例如制备成本较高、制备过程难控制等问题。
因此，更加精确的制备方法和更加合理的应用方向仍然需要进一步研究和探索。
总之，光子晶体材料作为一种新型的材料，具有诸多独特的光学性质和应用前景。
在不断的科研探索中，相信光子晶体材料将会被广泛应用于众多领域，为推动科技进步和创新发挥重要的作用。
光子晶体的制备及其应用
光子晶体的制备及其应用光子晶体，是一种能够控制光子传导和储存的新材料，在光子学、光通信、微电子学、化学和生物医学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光子晶体的制备方法及其应用。
一、光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法主要包括模板法、垂直自组装法、微影法等，其中模板法是目前应用最广泛的制备方法之一。
以下分别介绍这三种方法。
1. 模板法模板法是通过在模板表面沉积光子晶体的方法来制备光子晶体的。
模板一般有硅胶、聚氨酯、聚焦炭等材料，具体的制备步骤分为以下几个步骤：(1) 制备模板先制备好需要成为模板的材料，如硅胶。
将硅胶涂在玻璃表面，然后将其放入硫酸铜溶液中进行氧化，使硅胶在玻璃表面形成孔洞。
(2) 沉积光子晶体将需要制备的光子晶体材料制成溶液，然后将其滴到硅胶孔洞中，等待其自主形成晶格结构。
最后，用乙醇将硅胶与溶液分离，即可得到光子晶体。
2. 垂直自组装法垂直自组装法是一种利用表面张力使自组装颗粒排列成为光子晶体的方法，主要分为三个步骤：(1) 表面处理将衬底表面进行化学或物理处理，使得粒子可以自由组装。
(2) 悬浮颗粒将粒子置于液体中，然后将液体滴到表面处理后的衬底上，利用表面张力使粒子自动排列成为光子晶体。
(3) 固化晶体将光子晶体放置于紫外灯下进行固化，以保持其原有结构。
3. 微影法微影法是一种通过光默认技术制备光子晶体的方法。
以二氧化硅为例，其制备步骤如下：(1) 制备基板将尽量平整的硅片进行表面处理，使得光可以很好地穿透并形成图案。
(2) 光刻将需要形成的光子晶体图案进行设计，然后用光刻胶对硅片进行覆盖。
(3) 电荷转移将光照射光刻胶，使其发生电荷转移，从而使得光刻胶固定。
(4) 刻蚀利用刻蚀技术将硅片中的光刻胶和不需要刻蚀的硅部分进行区分，最终得到光子晶体。
二、光子晶体的应用由于其微小的尺寸和无规则的结构，光子晶体具有许多惊人的特性和应用。
以下列举几个主要的应用领域：1. 光子学作为一种光绝缘体材料，光子晶体具有很多特殊的光学性质。
光子晶体的制备及其应用前景
光子晶体的制备及其应用前景光子晶体作为一种新型材料，在最近几十年来得到了广泛的研究和应用。
光子晶体是一种特殊的晶体结构，由周期性的介质构成，能够将特定波长的光线束缚在晶体内部，形成光子带隙。
光子带隙具有宽带宽和高透过率的特点，在光学领域具有广泛的应用前景。
本文将重点探讨光子晶体的制备方法以及其在光电子学、传感器、光学表面等领域的应用前景。
一、光子晶体的制备方法1.微结构制备法微结构制备法是一种将周期性的微米或纳米材料排列成特定的结构构成光子晶体的方法。
其中最常用的方法是纳米球自组装法和光刻法。
纳米球自组装法是将特定直径大小的纳米球自发排列成一定的二维或三维排列表面。
光刻法则是利用光刻胶的抗光性对光的掩蔽，制作出有规律的结构。
这些方法可利用自组装、光掩蔽和刻蚀等步骤将介质材料形成相应的结构，制作出光子晶体。
2.自组装方法自组装方法是借助生物发育过程自然形成的特殊结构，如贝壳壳层、鸟类羽毛等，利用相互作用力，在表面上形成特殊的晶体结构。
这种方法可以制备不同形态、不同尺寸和不同材料组成的光子晶体。
3.生物法制备生物法制备是一种新兴的光子晶体制备方法，是利用生物大分子自身特性来合成和构建特殊结构的光子晶体，在这种方法中，生物大分子作为模板，在光子晶体的形成过程中起到了关键作用。
二、光子晶体在光电子学、传感器、光学表面中的应用前景1.光电子学光子晶体的一大应用领域是光电子学。
通过光子晶体的特殊结构设计，可以实现无源调控光子带隙中光的传播特性，并用于成像、通信、光伏等领域。
2.传感器光子晶体的另一大应用领域是传感器。
光子晶体可以通过其窄带光学特性，传输特定波长的光，并能有效吸附目标物质，从而实现对物质的检测和分析。
3.光学表面光子晶体的光学表面应用在光学表面。
通过控制光子带隙的大小和位置，可以制备出各种复杂形状的微纳米结构光学表面，从而改变表面的折射率和反射率，并实现光的独特传输行为。
三、总结光子晶体是一种新型材料，在制备方法上有多种选择，并且具有广泛的应用领域。
光子晶体光学研究及其应用
光子晶体光学研究及其应用光学作为物理学的分支，一直以来都是一个深奥且有趣的领域。
随着科技的不断发展，古老而优美的光学已经发生了很多变化，其中一种新的研究领域就是光子晶体光学。
光子晶体光学是一种研究光和介质相互作用的光学学科。
光子晶体光学的核心是光子晶体，也称为光子晶体材料。
光子晶体是一种结构类似于晶格结构的、宏观尺度上有周期性的材料，由于其尺度相同的结构重复性，可以有效地调控其光学性能，并且具有广泛的应用前景。
光子晶体最初是由 Yablonovitch 和 John 在 1987 年提出的概念，随后经过二十余年的研究，已经取得了广泛的应用，包括光子晶体光学器件、光子芯片、光子晶体光纤、光子晶体传感器、光子晶体分子印迹等。
光子晶体最大的特点就是它的带隙结构。
带隙结构是指光子晶体中不允许光的传播的频带，也称为禁带。
光子晶体中的禁带结构可以有效地控制光的波长、波矢和极化态等，具有很多独特的光学性能。
光子晶体光学器件主要是通过利用光子晶体的带隙结构实现对光波的精确控制，使光的传输、调制和波导等功能得以实现。
其中应用最为广泛的光子晶体器件是光子晶体衍射光栅。
光子晶体衍射光栅由于其光学性能高、调制范围大、频宽宽、制作简单等优势，已经在高速光通讯、传感、显示和光学信号处理等领域得到广泛的应用。
光子晶体光纤是光子晶体光学领域中的又一个热门研究方向。
传统的光纤在长距离传输时会出现损耗和色散等问题，而光子晶体光纤则能够通过调节光子晶体的结构来有效地抑制这些问题，从而实现更加稳定和高效的光传输。
目前，光子晶体光纤一直是光通讯、光子晶体激光器、光子晶体传感器等领域的研究重点。
光子晶体光学作为一种新的研究领域，在其它许多领域中也有广泛的应用。
例如，凭借着光子晶体的单光子带隙性，一些前沿领域如量子信息和量子计算，已经在光子晶体芯片中得到良好发展。
光子晶体光学研究和应用领域的不断拓展是一项长期的工程，也是一个需要不断调整和创新的领域。
光子晶体材料及其在激光领域中的应用
光子晶体材料及其在激光领域中的应用一、概述光子晶体材料是一种新型的二维或三维介质，在其结构中存在周期性的光子禁带，因此可构成光子晶体，是一种具有光子带隙的晶体材料。
光子晶体的禁带宽度型谱与光波波长期相近，使得特定波长的光只有在晶体结构中传播，不同波长的光则不能通过，因此在通信、传感、能量转换等领域提供了独特的功能，目前正在逐渐得到广泛的应用。
二、材料结构与制备方法光子晶体的结构形态，可分为二维光子晶体和三维光子晶体，在其结构中分别存在周期性排列的空气球或多孔材料，并且这些孔洞之间存在相互作用。
在制备过程中，常见的方法包括自组装法、溶胶凝胶法、气相沉积法、光刻、压印法等。
三、光子晶体在激光领域中的应用1. 光波导光子晶体具有类似于晶体的结构，他们之间排列的孔洞生成了周期性的折射率的匹配，在某些波长范围内的光经过这种小孔会产生Brillouin散射效应。
这种散射效应限制了光子晶体二维的应用，但对于三维的光子晶体来说，其光子带隙完整覆盖了可见光和近红外光谱区，从而可以实现可控激光束引导。
这种机能是目前发展激光技术的核心技术，因此具有相当广阔的应用前景。
2. 光谱过滤器因光子晶体的光子带隙带宽型谱的特性，可以选择特定波长的强光在晶体中反射而不泄漏，而对于滤去指定波长的波长分析器、滤波器、激光光束稳频器等领域也有着广泛的应用3. 激光调制器光子晶体具有高速调制光的能力，其总能力在数千兆赫范围内。
因为光子晶体中的折射率可通过应变、温度等方式调制，从而可以够达到全光调制的目的，实现性能更强、功能更定制化的激光调制器。
4. 激光反射镜光子晶体的禁带结构可实现针对特定波长的反射镜功能的反射镜，通常被应用于固体激光器与飞秒激光器系统等中，因为这些激光机内的光为高密度的光束，需要高稳定性的输出和反射系数。
在激光反射镜方面，光子晶体比传统的镜面反射镜有更明显的优势，可以达到反射率达到100%且传输误差小。
四、总结光子晶体材料因其在光电子学、通信、光学传感、能量转换等领域拥有许多独特的响应和应用，具有极高的研究和应用价值。
光子晶体及其应用
吸热池、哮喘治整疗理p、pt 全球气候走向
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光子晶体简介
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(photonic band structures)。具有光子能 带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称光子 晶体(photonic crystals)。
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？
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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
服从方程 对应波 自旋 相互作用
1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据 实验量得的透射频谱，所对应的三维 能带结构右图所 示：
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，因此只具整理有pp虚t 能隙(pseudo gap)
光子晶体
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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
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人类材料史
• 利用自然材料
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r r kn
可将相对介电常数写为 两个部分之和： 平均介电常数 r 和变动介电常数
则有：k
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代入波动方程，可得： 2 2 2 ' E r 2 r E r 2 r E r c c 2 2 2 ' E r 2 r E r r 2 c c
• 电子系统：105 Hz • 光纤系统: 1015 Hz
• 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： internet era
全光器件
光纤
电子器件
能 否 控 制 光 子 的 流 动 ？
一 、光子晶体简介
• 光子晶体（photonic crystal） 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。
green
blue
brown
yellow
2003年ANDREW R. PARKER等 发现一种澳洲昆士兰的东北部 森林的甲虫（Pachyrhynchus argus），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 (sea mouse)`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 (photonic crystal fiber)--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
微波领域中的应用—天线
普通天线 传统的微波天线制备方法是 将天线直接制备在介质基底上， 导致大量的能量被天线基底所吸 收，效率很低。一般用GaAs（钙、 砷）介质作基底的天线，98%的 能量损耗在基底中，只有2％的能 量被发射出去 光子晶体天线 针对某微波频段可设计出需 要的光子晶体，并让该光子晶 体作为天线的基片。因为此微 波波段落在光子晶体的禁带中， 因此基底不 会吸收微波，这就 实现了无损耗全反射，把能量 全部发射到空中。
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 Nhomakorabea …• 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
微波领域中的应用—手机的辐射防护
利用光子晶体可以 抑制某种频率的微波传 播的原理，可以在手机 的天线部位制造维播放 护罩，从而避免对人体 有害的微波辐射直接照 射手机用户的头部。这 种技术目前还没有成熟， 但是至少有一个美好的 前景。
手机的危害
手机是一个小型的、但能量极 强的电磁波发生器，其工作频率890MHz 到965MHz，辐射出的电磁波对人体细胞 具有极强的致畸作用。手机在使用过 程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。 长期、高频率使用手机，会造成正常脑 的支持细胞——胶质细胞DNA分子链的 电离损害，导致DNA碱基分子链的断裂， 引起细胞的癌变
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。
翅膀鳞粉具有光子晶体结构的蝴蝶
在生物界中，也不乏光子晶体的踪 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.
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
光子
服从方程 对应波 自旋 相互作用 麦克斯韦（Maxwell）方程 矢量波 自旋为1的玻色子 没有
电子
薛定谔方程 标量波 自旋为1/2的费米子 很强
性质 结构
电子晶体 结晶体(自然或生长的)
比较电子和光子（在晶体中）的定态波动方程， 可以看出两式得相似之处：
c 一个周期势场；
2
2
r r ~ V r , 即周期变化的介电常数 相当于
' r
c
2
2
r ~ E , 即平均介电常数相当于 能量本征值
光子晶体中的光子能带不同于半导 体中的电子能带
光子的能量 E p kc 因此其色散关 系的特点是E p 和k呈线性关系
• 半导体制造技术的方法:将电子束蚀刻,反应离子束 蚀刻,化学气相淀积等技术运用于堆积式的光子晶体 制造.
(1) 利用电子束,激光束等在Si基上 进行蚀刻,留出一系列彼此平行的 Si棒; (2) 再用水解等方法将Si棒之间的 区域用SiO2进行填充,并进行表面 机械抛光; (3) 然后再用多晶Si沉积的方法在 S. Y. Lin et al.,Nature (2)中所得的层上铺一层Si,以便蚀 394, 251 (1998) 刻与(2)中Si棒向垂直的第二层Si 棒 (4) 重复以上步骤以制得所需的层数,然后再用酸将SiO2清洗掉 ,即得三维周期性结构
电子计算机技术中的应用--CPU
目前所遇的困难
自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月 翻一番的速度增长，然而即使这种被成为摩尔定律的趋势可以在以后的几 年内必将逐渐的走向平缓，直至目前的极限。 要提高CPU速度，也就是缩短CPU完成指令的时间，就必须减少电信 号在各个元件的延迟时间。减小元件体积，缩短它们之间的距离。但是元 件缩小到一定程度后就很难再有大的突，而且其电子元件的发热量将十分 惊人，很有可能因为过热而产生电子漂移现象，导致系统不稳定甚至崩溃。
•What is photonic crystal?
周期排列的人工微结构材料
光子晶体图示
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
《科学》1998 Best bets
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
光子晶体简介
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(photonic band structures)。具有光子能 带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称光子 晶体(photonic crystals)。
国际上激烈竞争
DARPA
重组天线计划 美 可调光子晶体计划 超快光子学计划 毫米和亚毫米波段的集成天线技术 基于光子晶体的光子集成线路计划 基于蛋白石结构的光子晶体 波长尺度的通讯用光子部件 欧
日
四、光子晶体应用
1.微波领域中的应用 2.电子计算机技术中的应用 3.光电元件中的应用
4.其他方面应用
实验量得的透射频谱，所对应的三维 能带结构右图所 示： 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(pseudo gap)
光子晶体简介
两年之后， Yablonovitch等人卷土重 来， 这回他们调整制作方 式，在块材上沿三个夹120 度角的轴钻洞，如此得到 的fcc晶格含有非球形的 “原子”(如右图)， 终于打 破了对称的束缚，在微波 波段获得真正的绝对能隙， 证实该系统为一个光子绝 缘体(photonic insulator)。
二、光子晶体理论
电磁波可表示为：
~ ~ E E0e ~ ~ i ωt k z H H e 0 i ωt k z
和 k 分别为角频率和波数，它们与周期T
和波长的关系为：
2 T 2 k
波的传播速度（相速）为：
T k 设E 0，H 0，E，H分别是E和H的振幅
(a)介质棒阵列
(b) 打孔的薄膜结构
3. 三维光子晶体制备
• 精密机械加工法: Yablonovich等用打孔的方 法在基体表面每一点沿着相差120度的方向 往里打孔,在基底材料里留下了近椭球圆柱形 结构组成的面心立方光子晶体.
只能用于加工微波波 段的光子晶体,对于更短 波长的光子晶体,显得无 能为力
光子晶体简介
最初光子晶体的人工制备：
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-centered cubic, fcc) 的排列方式钻了将近八千个球状 空洞，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数分别为12.5和 1.0，面心立方体的晶格常数是1.27。根据
Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)
第一个光子晶体基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功
微波波段光子晶体
－ 1993年，美国研制反射率接近１００％的光子 晶体偶极子天线；