光子晶体的研究进展
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。
光子晶体制备技术和应用研究进展
光子晶体制备技术和应用研究进展一、本文概述光子晶体，也称为光子带隙材料，是一种具有周期性折射率变化的介质结构，其独特的性质使得光在其中传播时受到调制，类似于电子在晶体中的行为。
因此，光子晶体被视为控制光传播行为的重要工具，具有广阔的应用前景。
随着科学技术的飞速发展，光子晶体的制备技术和应用研究进展日新月异，对推动光子学、光学、材料科学等多个领域的发展起到了重要的推动作用。
本文旨在全面概述光子晶体的制备技术和应用研究进展。
我们将回顾光子晶体的基本概念和特性，阐述其在光学领域的重要性和独特性。
然后，我们将详细介绍各种光子晶体的制备技术，包括微球自组装、激光全息干涉、胶体晶体模板法等，并分析其优缺点。
在此基础上，我们将探讨光子晶体在光子器件、传感器、显示器、太阳能电池等领域的应用研究进展，并展望其未来的发展趋势。
我们将总结当前光子晶体研究的挑战和前景，以期为该领域的研究者提供有益的参考和启示。
通过本文的综述，我们期望能够为读者提供一个全面而深入的了解光子晶体制备技术和应用研究进展的平台，促进相关领域的交流和合作，推动光子晶体技术的进一步发展和应用。
二、光子晶体的制备技术光子晶体的制备技术是实现其独特光学性质和应用的关键。
随着科技的不断进步，光子晶体的制备方法也在持续创新和发展。
目前，主要的制备技术包括微球自组装法、模板法、全息光刻法、激光直写法和溶胶-凝胶法等。
微球自组装法：这是一种基于胶体微球自组装原理的制备方法。
通过精确控制微球的尺寸和排列，可以在溶液中形成有序的三维结构，进而制备出具有特定光学性质的光子晶体。
该方法操作简单，成本低廉，但制备的光子晶体尺寸和形貌控制精度有限。
模板法：模板法是利用已有的模板结构，通过填充、沉积或刻蚀等方式，在模板表面或内部形成光子晶体结构。
这种方法可以实现复杂形状和结构的光子晶体制备，但模板的制作成本较高，且制备过程相对复杂。
全息光刻法：全息光刻法利用干涉光场的空间调制作用，在光刻胶或其他光敏材料中形成三维周期结构，进而制备出光子晶体。
光子晶体研究进展
光子晶体中的半布拉格散射晶体中各种波（如电子波、光波和声波等）在某些频率下由于布拉格散射的作用而无法传播形成带隙。
通常情况下我们处理的是只有一种散射平面的简单布拉格散射，并且得到了布拉格条件mλ=dsinθ。
而当多种布拉格平面参与是会出现多重布拉格散射，此时也会出现带隙。
人们已经发现在一些高对称方向的多重布拉格散射，但只发生在频率高于一阶简单布拉格散射的频率（m=1时）之下。
而特温特大学的Simon等人在二维矩形中心格子的光子晶体中观察到了光波频率低于一阶简单布拉格散射的多重布拉格散射，并称之为半布拉格散射，同时给出了这种散射的条件。
Simon等人在实验和理论方面研究了二维矩形中心格子光子晶体的反射情况。
图1图1为光子晶体电子扫描显微镜图和倒空间图，空气孔的半径为r光波分别沿ГК方向和ГМ′方向入射到光子晶体中，并得到图2的实验和理论结果。
在ГМ'方向，出现反射峰的最低频段在一阶简单布拉格条件的频率左右，而在ГК方向上出现了低于一阶简单布拉格条件的反射峰。
在改变空气孔与布拉维格子长之比时也得到类似结果。
图3中虚线为一阶简单布拉格散射频率，显而易见，在ГК方向上出现了频率更低的反射峰。
之所以出现这种半布拉格散射，是由于在ГК方向有К和В两个高对称点。
由于К点在布里渊区边界上，因此满足佬厄条件而出现反射峰，而В点对应的倒格矢正是一阶简单布拉格条件的波矢。
因此Simon等人提出了产生半布拉格散射的条件：（1）入射波波矢对应于布里渊区边界上的点；（2）入射方向必须为高对称方向，并且波矢对应的倒格矢Gℎlm满足h,||l,|m|≤1；(3)半布拉格散射的频率低于一阶简单布拉格散射条件根据Simon等人给出的条件，我们可以很方便的判断哪些结构的光子晶体能够出现半布拉格散射，同时也可以将文章的结论推广到晶体中的电子波和声波。
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光子晶体是一种光物理学中的新材料，具有优异的光学性能和应用前景。
近年来，随着科技的不断发展，光子晶体的研究进展也在不断加快，在光子晶体的制备、性能调控和应用方面都取得了一系列重要突破。
光子晶体的制备主要有两种方法：自组装法和纳米加工法。
自组装法利用物质在一定条件下自发形成周期性结构，可以制备出大面积、高品质的光子晶体。
纳米加工法则通过纳米尺度的加工手段实现对材料结构的精确控制，可以制备出更复杂的结构和性能。
这两种方法的结合使得光子晶体的制备更加灵活多样化。
光子晶体具有优异的光学性能，主要体现在三个方面：光子禁带、色散调控和非线性光学效应。
光子禁带是指在光子晶体中存在一定范围内的频率范围，光波无法传播的现象。
光子禁带的宽度和位置可以通过调控光子晶体的周期、孔隙比例和折射率实现。
色散调控则是指调控光子晶体中光波的传播速度和传播方向，可以实现光波的聚焦、解聚和波导等功能。
非线性光学效应是指在强光场作用下，光子晶体中光波的能量转换和非线性响应现象。
这些光学性能使得光子晶体在激光器、光通信、传感器、光电存储等领域具有广泛应用的潜力。
在激光器领域，光子晶体可以作为优质的光学反射镜、激光输出镜和模式选择器，提高激光器的输出功率和谐振器质量因子，实现高性能激光器。
在光通信领域，光子晶体可以用于光合集器、耦合器、滤波器和光学开关等光学器件，提高光路的集成度和性能。
在传感器领域，光子晶体可以用于生物传感器、气体传感器、液体传感器和光子晶体光纤等，实现高灵敏度和快速响应的传感器。
在光电存储领域，光子晶体可以用于光学存储介质和光子晶体薄膜，实现大容量、高速和可重写的光存储。
除此之外，光子晶体还有许多其他的应用前景。
例如，在太阳能领域，光子晶体可以用于制备高效率的光伏材料和光学镜面，提高太阳能电池的能量转换效率。
在生物医学领域，光子晶体可以用于生物分析、药物传输、光热治疗和细胞成像等，实现精确控制和定位的生物操作。
光子晶体的制备和应用研究进展
光子晶体的制备和应用研究进展一、本文概述光子晶体，也称为光子带隙材料，是一种具有周期性折射率变化的介质结构，其独特的性质使得光波在其中传播时受到调制，类似于电子在晶体中的行为。
自二十世纪末光子晶体概念提出以来，其制备技术和应用研究便成为了科学研究的热点。
本文旨在概述光子晶体的制备方法以及在不同领域中的应用研究进展，以期对光子晶体的未来发展提供全面的视角和深入的理解。
我们将对光子晶体的基本概念和特性进行简要介绍，以便为后续的研究进展提供理论基础。
随后，我们将重点综述目前光子晶体的主要制备方法，包括胶体自组装法、激光全息干涉法、逐层堆积法等，并探讨各种方法的优缺点及其适用范围。
在应用研究方面，我们将关注光子晶体在光子器件、光通信、太阳能电池、传感器以及生物医学等领域的应用进展。
我们将详细分析这些应用背后的原理、技术实现以及取得的成果，并对未来的发展趋势进行展望。
我们将对光子晶体的研究现状进行总结，并指出当前面临的挑战和未来的发展方向。
通过本文的综述，我们期望能够为读者提供一个全面而深入的了解光子晶体制备和应用研究的平台，推动光子晶体在科学技术和工业领域的进一步发展。
二、光子晶体的制备技术光子晶体的制备技术自其概念提出以来，经历了长足的发展和进步。
光子晶体的制备技术主要分为两大类：自上而下（Top-down）和自下而上（Bottom-up）的方法。
自上而下法主要包括机械加工、微影术和激光刻蚀等。
这些方法通常用于制造具有周期性结构的三维光子晶体。
机械加工方法可以通过精确控制机械力，如研磨、切割和雕刻等，来创建具有特定周期性结构的光子晶体。
微影术则利用光化学反应在基材上生成特定的图案，然后通过化学或物理手段进行蚀刻，从而制作出光子晶体。
激光刻蚀则使用激光束直接对材料进行刻蚀，形成光子晶体。
这些方法的主要优点是制造精度高，可以大规模生产，但设备成本较高，且难以制备出具有复杂结构和精细调控的光子晶体。
自下而上法则主要包括胶体自组装、溶胶-凝胶法、气相沉积和生物模板法等。
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。
光子晶体的拓扑效应与边缘态研究进展
光子晶体的拓扑效应与边缘态研究进展光子晶体作为一种具有周期性调控光传播的材料，在过去几十年里受到了广泛的研究和应用。
随着研究的深入，人们发现光子晶体中存在一种特殊的现象，被称为拓扑效应。
这一效应不仅在物理学领域引起了广泛的兴趣，还开辟了在光学通信、能源转换等方面的新应用。
本文将介绍光子晶体的拓扑效应与边缘态的研究进展。
一、光子晶体的基本原理光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，其周期性结构可以通过周期性排列的介质材料或微纳米结构实现。
与电子晶体类似，光子晶体可以通过禁带结构来控制光的传播特性，从而实现对光的频率、波长等参数的调控。
二、光子晶体的拓扑效应在传统的光子晶体中，光的传播方式被认为是平庸的，没有什么特殊性质。
然而，随着对拓扑的研究深入，人们意识到光子晶体中存在着一种特殊的拓扑效应。
拓扑效应是指一种物理体系在局部微观尺度上的拓扑不变性，在全局宏观尺度上会表现出一些奇特的性质。
光子晶体的拓扑效应主要体现在其能带结构中。
在光子晶体的禁带中，存在一些能带的拓扑不变量，如陈数、托普拉索不变量等。
这些不变量可以描述能带之间的拓扑性质，如拓扑绝缘体、拓扑半金属等。
通过调控光子晶体的结构参数，可以实现这些拓扑性质在光子晶体中的展示。
三、光子晶体的边缘态光子晶体中特殊的拓扑性质不仅体现在其内部的能带结构中，还表现在边界上的边缘态。
边缘态是指光子晶体中由于拓扑不变性引起的特殊能带，其能谱在边缘或缺陷处出现。
边缘态在光子晶体中的出现，使得光子晶体在边缘上能够实现单向传输，而在体态中保持传统的双向传输。
这一特性可以被应用在光学器件中，如光波导、光隔离器等，提高其传输效率和性能。
四、典型的光子晶体拓扑效应研究在过去的研究中，人们发现了一系列具有典型拓扑效应的光子晶体。
例如，三维光子晶体中的“倍频超导体”效应，可以实现光子的倍频传输。
二维拓扑绝缘体则具有边缘态的扩展面积，使光的传输更加稳定。
此外，还有一些研究关注光子晶体的拓扑等效理论，将其与其他光学系统进行比较与分析。
光子晶体材料的研究进展与应用前景
光子晶体材料的研究进展与应用前景随着人们对新材料研究的日益深入，光子晶体材料引人注目。
光子晶体材料是一种新型的功能材料，它能够对光波进行控制，达到调控光波传播和辐射的效果。
在光通信、光储存、光显示、光传感和光催化等领域都有广泛的应用。
本文将重点介绍光子晶体材料的研究进展和应用前景。
一、光子晶体材料的基础光子晶体材料是一种具有定向光子禁带结构的材料。
它的特点是光子禁带具有宽带、光学性质可调和灵活可控。
光子晶体材料通常由光波导层、光子晶体层和边缘层组成，光子晶体层是由周期性高、低折射率的介质构成的。
通过光子晶体层对光波进行调制和控制，可以达到控制光波在材料内传播和发散的效果。
二、光子晶体材料的研究进展1.光子晶体材料的合成技术光子晶体材料的合成技术是光子晶体材料研究的关键。
通过不同的合成技术可以得到不同结构的光子晶体材料。
目前主要的光子晶体材料合成技术有自组装法、溶胶凝胶法、激光制造法、等离子体蚀刻法等。
2.光子晶体材料的光控制效应光子晶体材料的物理效应主要包括Fabry-Perot腔效应、布拉格反射、全反射和禁带效应等。
禁带效应是光子晶体材料的核心功能，是光子晶体材料吸收或反射光波的效应。
禁带的位置和宽度与材料周期、介电常数有关。
3.光子晶体材料的应用目前，光子晶体材料已经在各个领域有着广泛应用。
在光通信领域，利用光子晶体材料的禁带效应可以制造出高效的光耦合器和复用器。
在光存储领域，利用光子晶体材料的周期性结构可以提高光储存密度和稳定性。
在光传感领域，光子晶体材料可以用于制造高灵敏的光扩散传感器和光子晶体波导传感器。
此外，在光催化领域，光子晶体材料可以用于制造高效的催化剂和光催化反应器。
三、光子晶体材料的应用前景作为一种新型的功能材料，光子晶体材料具有广阔的应用前景。
随着人们对新材料需求的不断提高，光子晶体材料将在未来的应用领域中发挥更大的作用。
特别是在光通信、光储存等领域，光子晶体材料有着巨大的潜力。
光子晶体研究进展(资剑)
光子晶体研究进展资剑复旦大学表面物理国家重点实验室，上海200433Jzi@摘要光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。
光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。
本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。
关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。
半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。
大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西是由半导体带来的。
几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。
半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。
集成的极限在可以看到的将来出现。
这是由电子的特性所决定的。
而光子有着电子所没有的优势：速度快，没有相互作用。
因此，下一代器件扮演主角的将是光子。
光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料[1,2]。
这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动[3-5]。
由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。
1.2. 光子晶体简介3. 众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。
电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。
其实，不管任何波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。
能量落在带隙中的波是不能传播的。
电磁波或者光波也不会例外。
不过人们真正清楚其物理含义已经是八十年代末了。
1987年Yabnolovitch [1]在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。
几乎同时，John [2]在讨论光子局域时也独立提出。
光子晶体结构色简介及研究进展
张心亚研究员2020.901：传统颜填料的介绍传统颜填料在自然使用过程中存在易迁移、易氧化、易褪色等；传统颜填料的生产制备和印染过程中制造大量的、含高重金属离子的、难以降解的废水；随着国家环保政策的收紧以及消费者环保意识的觉醒，传统颜填料正在失去市场。
褪色02:光子晶体的介绍自然界大多数动物都拥有绚丽的外观，研究表明这些颜色并不是化学色素或者染料，而都是基于微纳结构的物理光子晶体结构色。
光子晶体由S.John 于1987 提出：主要是指折射率不同的介质周期性排列形成的光学结构。
02:光子晶体的介绍光子晶体从视觉上可分为角度依赖型光子晶体和无角度依赖型光子晶体长程有序结构角度依赖性短程有序结构无角度依赖变色鱼鹦鹉02:光子晶体的介绍一维二维三维光子晶体结构色从空间构造上分为一维、二维、三维光子晶体。
一维二维三维光子晶体结构色的原理：基于大面积、高度有序的周期性微纳结构与太阳光的物理折射、反射及衍射作用，使得反射波长落在可见光范围，即结构色。
光子晶体结构色的优点：安全，环保，色彩丰富，颜色更持久。
02:光子晶体的介绍03:光子晶体的潜在应用Wang, F.; Zhang, X ，etc.ACS Appl. Mater. Interfaces . 2016, 8(7), 5009–5016. Kim, S.; Hwang, V ，etc. Small,2019, 1900931(1)、作为颜填料制备涂层03:光子晶体的潜在应用•Zhao, T.; Zhang, S.; Guo, Y.; Wang, Q. Nanoscale 2016, 8 (1), 233–242.(2)、光子晶体作为温度响应的防伪标识03:光子晶体的潜在应用(3)、光子晶体阵列作为湿度响应的防伪标识•Du, X.; Wang, J，etc.ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (43), 38117–38124.03:光子晶体的潜在应用(4)、光子晶体阵列制备艺术油画•Flauraud, V.; Reyes, M.; ACS Photonics 2017, 4 (8), 1913–1919.•Ito, M. M.; Gibbons, Sivaniah, E. S，Nature 2019, 570 (7761), 363–367.04:光子晶体的制备基于光子晶体结构色的优点，我们制备了类似opal 蛋白石结构的光子晶体结构色。
综述光子晶体的研究进展
综述光子晶体的研究进展光子晶体（Photonic crystal）是一种具有周期性的折射率分布的人工光学材料，其在电磁波的传播中发挥着重要作用。
光子晶体可以通过控制光的传播行为实现对光波的调控和控制，具有广泛的应用潜力。
本文将综述光子晶体的研究进展。
光子晶体的发展可以追溯到1987年，当时Yablonovitch等人首次提出了光子禁带（Photonic bandgap）的概念，即在一些频率范围内，光子晶体可以完全排除特定方向上的电磁波的传播。
这一概念引发了光子晶体研究的热潮。
在光子晶体的研究中，设计和制备光子晶体材料是关键环节。
研究人员通过改变光子晶体的周期、形状和尺寸等参数，来调控光的传播特性。
常用的制备方法包括自组装法、溶胶凝胶法、光刻法和自旋镀膜法等。
随着技术的发展，研究人员可以制备出具有二维和三维周期结构的光子晶体材料。
光子晶体的研究进展可以总结为以下几个方面。
首先，光子晶体在光学器件中的应用取得了重要进展。
例如，在光纤通信中，光子晶体光纤可以提供低损耗和低色散的传输特性，进一步提高了通信带宽和传输距离。
此外，光子晶体在激光器、太阳能电池和光学传感器等领域也有广泛应用。
其次，光子晶体的表面等离子体共振研究也取得了重要进展。
通过将金属等离子体纳米颗粒引入光子晶体中，可以产生局域表面等离子体共振效应，从而实现对光的超聚焦和局域增强效应。
这对于提高光学器件的分辨率和灵敏度具有重要意义。
另外，光子晶体在光学传感器和生物医学领域的应用也受到了广泛的关注。
光子晶体结构可以通过改变其反射光的特性对环境中的物质进行探测和识别。
例如，通过改变光子晶体的折射率，可以实现对环境中的气体和化学物质的检测。
此外，光子晶体还可以用于生物成像和癌症治疗等生物医学应用。
最后，光子晶体的研究也涉及到新型材料的开发。
近年来，研究人员通过结合光子晶体结构和具有特定光学性质的材料，如非线性光学材料和拓扑绝缘体材料，实现了更多样化和功能化的光子晶体器件。
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展
光子晶体光纤的原理、应用和研究进展一、本文概述光子晶体光纤，作为一种具有独特光学性质的新型光纤，近年来在光通信、光电子、生物医学等领域引起了广泛关注。
本文旨在全面介绍光子晶体光纤的原理、应用以及研究进展，以期为读者提供深入的理解和前沿的科研动态。
我们将概述光子晶体光纤的基本结构和光学特性，阐述其与传统光纤的区别和优势。
我们将详细介绍光子晶体光纤在光通信、光电子器件、生物医学成像等领域的应用实例，展示其在这些领域的独特作用和价值。
我们将总结当前光子晶体光纤研究的热点问题和发展趋势，以期为相关领域的研究者提供有价值的参考。
二、光子晶体光纤的基本原理光子晶体光纤，也被称为微结构光纤或空芯光纤，其基本原理主要基于光子带隙效应和光子局域化。
这种光纤的核心结构由周期性排列的空气孔组成，形成了一种类似于晶体的结构，因此得名光子晶体。
光子带隙效应是指，在特定频率范围内，光波在光子晶体中传播时，由于受到晶体结构的影响，某些频率的光波被禁止传播，形成所谓的“光子带隙”。
这种效应使得光子晶体光纤具有独特的传输特性，例如低损耗、高带宽等。
光子局域化则是指，当光波在光子晶体中传播时，受到晶体结构的影响，光波的能量被局限在某一特定区域内，形成所谓的“光子局域态”。
这种效应使得光子晶体光纤能够实现光波的高效传输和控制。
在光子晶体光纤中，光波主要在空气孔中传播，而非传统的光纤中的玻璃介质。
这种特殊的传输方式使得光子晶体光纤具有许多独特的性质，例如低损耗、高带宽、抗弯曲、耐高温等。
由于光子晶体光纤的结构灵活性，可以通过改变空气孔的大小、形状和排列方式等，实现对光波传输特性的精确调控，进一步拓展其应用范围。
光子晶体光纤的基本原理是基于光子带隙效应和光子局域化，通过特殊的结构设计实现光波的高效传输和控制。
这种光纤具有许多独特的性质和应用前景，是光通信领域的重要研究方向之一。
三、光子晶体光纤的应用领域光子晶体光纤作为一种独特的光传输媒介，其应用领域广泛而深远。
光子晶体国外发展历程
光子晶体国外发展历程光子晶体是一种可以对光进行精确控制和调制的人工材料，具有光的带隙效应，与传统材料相比，具有独特的光学和电磁特性。
其加工技术和应用在国外发展得相当迅速，下面将从三个阶段分别介绍光子晶体在国外的发展历程。
第一阶段是20世纪80年代至90年代初期，光子晶体的发展主要集中在理论研究方面。
1987年，卢·约奎克和斯蒂芬·约翰·约夫尔通过计算机模拟发现了实现光子带隙的方法。
此后，光子晶体的理论研究逐渐深入，并且发展出了一系列设计和制备方法。
1990年，日本学者书友太郎、江里泰佑和加纳阳一通过光致变色现象，第一次观察到了二维光子晶体的光学性质。
这些理论和实验的突破奠定了光子晶体的基础，引起了学术界的广泛关注。
第二阶段是90年代中期至今，光子晶体的研究逐渐从理论转向实验。
这一阶段的关键是光子晶体的制备技术的发展。
1994年，华理斯·约克和埃里克·约克等人通过球形微粒组成的三维结构实现了光子带隙效应，标志着实验上实现光子晶体的重要突破。
此后，研究者们不断改进制备技术，例如采用纳米球自组装方法、离子束刻蚀技术和嵌入法等，进一步提高了光子晶体制备的质量和效率。
第三阶段是21世纪初至今，光子晶体的研究重点逐渐从基础科学转向应用领域。
这一阶段的突破主要体现在两个方面：一是开发了大量光子晶体的应用，例如激光器、传感器、光波导器件等，使光子晶体在光学通信、生物医学、光电子等领域具有了广阔的应用前景；二是探索了新的光子晶体材料和结构，例如自组装多孔光子晶体、二维光子晶体、超材料等，进一步扩展了光子晶体的应用范围和特性。
当前，国外在光子晶体的研究方面处于领先地位。
欧美国家和日本、澳大利亚等国家在光子晶体的制备、性能调控、应用开发等方面取得了重要突破。
例如，美国加州大学伯克利分校的瓦森伯格研究组成功制备出高质量的三维光子晶体，德国马克斯普朗克研究所的哈尔特等人发展了一种新型光子晶体结构，日本东京大学的佐藤研究组利用光子晶体制备出高效太阳能电池，并取得了较高的转换效率。
超材料和光子晶体的新进展
超材料和光子晶体的新进展光子晶体和超材料是当前研究光子学和电磁学的两个重要领域。
光子晶体是一种具有规则周期结构的材料，它可以控制、操纵和调节光线，具有多种应用前景。
而超材料则是一种具有负折射率、负折射率等特殊光学性质的人工材料，是制备光子晶体和纳米光学器件的重要基础。
最近，超材料和光子晶体的研究取得了新的进展，包括制备方法、性能调控、应用等方面的创新。
下面，我们将就其中几个方面进行介绍。
一、制备方法的创新超材料的制备方法通常包括自组装法、纳米压印法、溶胶-凝胶法等。
然而，这些方法受到了材料表面质量和制备成本等方面的限制，难以实现大规模生产和实际应用。
因此，研究人员对制备方法的创新进行了尝试。
一种新方法是基于多光子聚合技术的非线性光刻法。
多光子聚合技术是利用高能量激光在特定条件下将光敏材料中的单体进行聚合，形成纳米结构。
与传统的光刻技术相比，多光子聚合技术具有更高的分辨率和制备精度。
应用多光子聚合技术可以制备出高精度的微纳米结构，从而实现新型的超材料的制备。
光子晶体的制备也是一个难题。
目前，比较常使用的方法是利用自组装法和光刻技术。
但是自组装法制备出的光子晶体质量欠佳，而光刻技术则需要昂贵的设备和高昂的成本。
为了解决这个问题，研究人员尝试了新的制备方法。
一种新方法是基于共聚合反应的模板法。
该方法可以利用模板孔道进行共聚合反应，导致聚合物自组装形成三维排列相互垂直的微孔结构，形成独特的光子晶体。
这种方法可以避免传统的自组装法的缺陷，并且具有较高的制备效率和成本优势。
二、性能调控的新发现超材料和光子晶体的性能在不同的应用场景中有很大的差异，需要进行调控。
近年来，研究人员在超材料和光子晶体的性能调控方面取得了新的发现。
对于超材料，研究人员发现，通过调整其组分和结构，可以实现材料的“负折射率”特性。
这一特性让超材料具有了许多新的应用，例如全息成像、多波长过滤器、高精度波导等。
对于光子晶体，研究人员发现一种新的调控方法，即通过溶解法实现光子晶体的调控。
光子晶体结构颜色生成机制研究进展
光子晶体结构颜色生成机制研究进展光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其结构中的孔隙或周期的变化可以导致可见光的某些波长受到选择性的散射，从而产生特定颜色。
光子晶体的独特的颜色效应使得它们在材料科学、光电子学、光子学和色彩工程等领域具有重要的应用潜力。
随着对光子晶体结构颜色生成机制的深入研究，人们对其物理原理和应用方面的理解也得到了显著的进展。
光子晶体结构颜色生成机制主要包括布拉格衍射、布里渊散射和光子带隙效应。
布拉格衍射是一种基于结构周期性的散射现象，通过光的干涉效应来产生颜色。
当入射光的波长与光子晶体的结构周期相匹配时，发生布拉格衍射，只有特定波长的光得到增强散射，其他波长的光则被抑制。
这种颜色效应可以通过调整光子晶体的孔隙大小和形状来调控，进而实现对颜色的精确控制。
布里渊散射是光子晶体中的非弹性散射过程，它通过晶格中存在的声音波来散射入射光，产生颜色效应。
布里渊散射的颜色效应取决于入射光的波长和声音波的频率，通过控制晶格的特定参数，如孔隙大小、晶格常数等，可以调节布里渊散射的颜色。
光子带隙效应是最主要的光子晶体颜色生成机制之一。
光子带隙是能量在晶格中传播的带隙，类似于电子在半导体中的禁带。
当光的波长与光子带隙的范围相匹配时，光子晶体中的特定波长的光被带隙所抑制，其他波长的光透过光子晶体散射出来。
这种效应使得光子晶体呈现出明亮的结构颜色。
通过调控光子晶体的结构参数、孔隙大小和晶格常数等，可以实现对光子带隙的调控，从而获得不同范围和强度的结构颜色。
在光子晶体结构颜色生成机制的研究中，人们还发现了一些其他的影响因素，如晶格的对称性、孔隙的分布、材料的折射率等。
这些因素都可以对光子晶体的颜色效应产生重要影响。
因此，研究人员通过设计和合成具有特定结构和特性的光子晶体材料，以探索更丰富的颜色效应和应用。
光子晶体结构颜色生成机制的研究进展不仅扩展了我们对光的理解，也促进了光子晶体领域的应用。
光子晶体的独特颜色效应使其在信息存储、显示技术、传感器、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
光子晶体的研究与应用
光子晶体的研究与应用光子晶体是一种微结构材料，具有类似于晶体的周期性结构，但是不是由原子或者分子组成，而是由光子晶胶体颗粒组成。
光子晶体在光子学、化学、物理、材料科学等领域得到了广泛的应用，例如，在能源、传感、信息处理、生物医学等领域都有着很好的应用前景。
一. 光子晶体的制备实验中通常采用的制备光子晶体的方法有：自组装法、电沉积法、光刻法等。
1.自组装法这种方法通常使用胶体晶球作为模板，通过溶液挥发或者热处理等方式使其形成光子晶体。
其中最常见的是球形非晶胶体晶球模板的法。
这种方法不仅能够制备不同大小、形状的光子晶体，而且可以使得光子晶体具有良好的结构、周期性和层次性。
2.电沉积法这种方法是利用高温与化学反应的原理，将规定形状的金属纳米颗粒水化合物电解沉积在电极上，从而构造出光子晶体。
这种方法制备的光子晶体不仅结构完整，而且具有良好的光谱性能和多样化的形态。
3.光刻法这种方法主要是在硅素晶体的表面上使用类似于摄影的技术，在可见光和紫外线的照射下使得硅片发生化学反应形成光子晶体。
最主要的优点是可以制备出复杂的几何形态的光子晶体，并且可以通过改变所使用的物质以及优化制备工艺来得到更好的特性。
二. 光子晶体的应用在一些领域中，光子晶体的应用已经具有了丰富多彩的形式。
下面将从绿色能源、传感、光变材料及生物医学四个方面来分述。
1.绿色能源光子晶体有着一些特殊的物理性质，例如光子晶胶体颗粒之间的纳米光学场相互作用可以引起光学透射波长的变化。
光子晶体通过其光电性质协同作用，开发了太阳能电池、能谱光源等领域。
例如，人们可以通过制备某些特定的光子晶体，使得其在光谱范围内具有较好的反光特性，可以提高太阳能转换并使其效率更高。
2.传感光子晶体在光学传感器上应用的研究日益深入。
光子晶体材料运用其光学特性提高传感器的灵敏度和响应速度，实现了对多种物质、直线运动方向等多因素的探测。
例如，对于细胞的定位、动力学探测以及化学性质的判断，可以通过制备出相应的质感光子晶体来完成，从而获得更加精准的信息和控制。
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。
含负折射率材料一维光子晶体的色散关系
目录一.引言 (1)1.1光子晶体的研究进展 (1)1.1.1理论基础 (2)1.1.2 制备方法 (3)1.1.3 前景展望 (5)1.2.负折射材料的研究进展 (5)二. 理论推导 (6)2.１光脉冲在传统一维光子晶体中的传播 (8)2.2光脉冲在含负折射率一维光子晶体中的传播 (11)三. 数值模拟 (15)结论 (18)致谢语 (18)参考文献 (19)08届物理学（师范）专业毕业设计（论文）含负折射率材料一维光子晶体的色散关系摘要概述光子晶体的特性、发展历程、理论基础及其潜在的应用等，特别介绍了光子晶体的制备方法。
从麦克斯韦方程出发，利用边界条件推导出了传统一维光子晶体与含负折射率材料的一维光子晶体色散关系，以及应用传输矩阵方法计算光脉冲在含负折射率材料的一维光子晶体中传播时的反射光谱和透射谱。
关键词光子晶体光子禁带制备方法自组装法一.引言1.1 光子晶体的研究进展光子晶体（Photonic Crystal,简称PC）是指介电常量（或折射率）呈周期性变化的一类物质，通常具有能带结构，因此也称为光子禁带材料（Photonic Band Gap Materials）。
因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性[1，2]，故光子晶体被认为是控制光子的光半导体。
1987年，E.Yablonovitch[3]和S.Joho[4]在研究抑制自发辐射和光子局域时分别提出了光子晶体这一新概念。
1990年，Ho K.M. [5]等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系，并由此预测三维金刚石结构中存在光子禁带。
1991年，Yablonovitch[6]在实验室中采用人工制造出了第一块被认为具有完全禁带的三维光子晶体。
目前，光子晶体的理论研究相对比较完善了，制备研究也取得了长足的进展，从最初的毫米波段到微米、远红外、红外、甚至可见光波段。
通常，光子晶体可划分为一维（1D）、二维（2D）、三维（3D）三种。
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第39卷 第12期 激光与红外V o l.39,N o.12 2009年12月 L A S E R ＆ I N F R A R E D D e c e m b e r,2009 文章编号:1001-5078(2009)12-1257-06·综述与评论·光子晶体的研究进展艾桃桃(陕西理工学院材料科学与工程学院,陕西汉中723003)摘 要:光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构,落在光子带隙中的光不能传播。
由于其独特的调节光子传播状态的功能,成为实现光通讯和光子计算机的基础。
光子晶体的制备是发展光子晶体的关键,而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点。
本文阐述了光子晶体的概念及其特性后,分别介绍了光子晶体的实验研究和应用研究。
实验研究重点介绍了光子晶体的制备方法。
应用研究重点介绍了单模发光二极管光、光波导器件和微波天线等。
关键词:光子晶体;光子带隙;制备技术中图分类号:O73 文献标识码:AP r o g r e s s i nt h e s t u d y o f p h o t o n i c c r y s t a l sA I T a o-t a o(D e p a r t m e n t o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,S h a a n x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,H a n z h o n g723003,C h i n a)A b s t r a c t:P h o t o n i c c r y s t a l s a r e m a t e r i a l s w i t h r e g u l a r p e r i o d i c i t yo f d i e l e c t r i c s t r u c t u r e s,w h i c hc a nc r e a t e a r a n g e o ff o r b i d d e n f r e q u e n c i e s c a l l e d p h o t o n i c b a n dg a p.Ph o t o n s wi t he n e r g i e s l y i n g i nt h eb a n d g a pc a n n o t p r o p a g a t e t h r o u g ht h e m e d i u m.M o r e o v e r,p h o t o n i c c r y s t a l s h a v e t h e a b i l i t yt o m a n i p u l a t e,c o n f i n e a n d c o n t r o l l i g h t,t h u s p r o v i d e t h e o p-p o r t u n i t i e s t o s h a p e a n d m o u l d t h e f l o wo f l i g h t f o r p h o t o n i c c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n d p h o t o n i c c o m p u t e r.I n p r e s-e n t,t h e p r e p a r a t i o nof p h o t o n i c c r y s t a l s,e s p e c i a l l y t h o s e i n v i s i b l eo r n e a r-i n f r a r e dr eg i o n,i s th ek e y t o t h e d e v e l o p-m e n t o f p h o t o n i c c r y s t a l s.I n t h i s p a p e r,t h e c o n c e p t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f p h o t o n i c c r y s t a l a r e d e s c r i b e d a t f i r s t,a n dt h e nt h e r e s e a r c h i n e x p e r i m e n t a n d a p p l i c a t i o n a r e i n t r o d u c e d r e s p e c t i v e l y.I n e x p e r i m e n t r e s e a r c h,f a b r i c a t i o n m e t h o do f p h o t o n i cc r y s t a l s i s d e p i c t e d.I na p p l i c a t i o n,s i n g l e-m o d e l i g h t-e m i t t i n gd i o d e,o p t i c a l w a v e g u i d ed e v i c ea n dm i c r o-w a v e a n t e n n a a r ed e s c r i b e d.K e yw o r d s:p h o t o n i c c r y s t a l s;p h o t o n i c b a n dg a p;p r e p a r a t i o nt e c h n i c1 引 言1987年,Y a b l o n o v i t c h[1]在讨论如何抑制自发辐射和J o h n[2]在讨论光子局域时各自独立地提出了光子晶体(P h o t o n i c C r y s t a l s)的概念。
他们讨论的共同实质是周期性电介质结构材料中光传播的影响问题。
根据固体电子能带理论,晶体内部原子呈周期性排列,库仑场的叠加产生周期性势场,当电子运动时受到周期性势场的布拉格散射而形成能带结构,带与带之间有带隙,称为禁带。
能量落在禁带中的电子波不能传播。
与此相仿,当电磁波在周期性电介质结构材料中传播时,由于受到调制而形成光子能带结构,其带隙称为光子带隙(p h o t o n i c b a n d g a p, P B G)。
具有P B G的周期性电介质结构即为光子晶体。
光子晶体概念吸引了众多科学家的兴趣。
1999年,国际科学委员会将光子晶体列为本年度世界十大焦点研究领域。
英国于2002年投入1250万英镑开展“超快光子学合作计划”。
欧共体信息社会技 作者简介:艾桃桃(1981-),男,讲师,硕士,研究方向为功能材料。
E-m a i l:a i t a o t a o0116@126.c o m 收稿日期:2009-05-31;修订日期:2009-07-08术委员会于2002年启动了“基于光子晶体的光子集成线路计划”。
日本的新能源产业技术综合开发机构立项“可调光子晶体计划”。
国内的杨国桢[3]、李承芳[4]、李永平[5]领导的课题组亦相继投入研究。
不足之处是国内主要集中在理论研究方面,较少涉及制备与应用方面的研究。
2 光子晶体特性(1)光子带隙 光子晶体最基本的特征即具有光子禁带(带隙)[1]。
落在禁带中的电磁波禁止传播。
光子带隙依赖于光子晶体的结构和介电常数的配比,比例愈大愈易出现带隙。
光子晶体结构对称性愈差,其能带简并度愈低,愈易出现光子禁带[3]。
(2)光子局域 J o h n[2]于1987年提出:在一种经过精心设计的有序排列的介电材料组成的结构中引入无序态后,光子将呈现强的安德森(A n d e r s o n)局域。
如果在光子晶体中引入某种缺陷,和缺陷态频率吻合的光子便有可能被局域在缺陷位置[6],一旦偏离该位置将迅速衰减。
当光子晶体理想无缺陷时,不存在光的缺陷模式。
但是,一旦晶体原有的对称性被破坏,在光子晶体的带隙中央就可能出现频率极窄的缺陷态。
(3)负折射效应 由V e s e l a g o于1968年首次提出[7],即当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时,光波的折射与常规折射相反,入射波和折射波处在法线的同侧。
2003年麻省理工学院的C u b u k c u和P a r i m i分别阐述了电磁波在二维光子晶体中的负折射效应[8-9]。
负折射介质最引人注目的是它们能够放大逝波,从而实现“超透镜效应”,可极大地提高透镜成像的分辨率。
(4)抑制自发辐射(P u r c e l l效应) 20世纪80年代前,人们认为自发辐射难以人为控制,直到光子晶体的概念被提出后。
将自发辐射原子放在光子晶体中,而其自发辐射频率刚好落在带隙中,因带隙中该频率之态密度ρ(ω)为零,自发辐射几率也便为零,由此抑制了自发辐射。
反之,若光子晶体中加入杂质,光子带隙中便会出现品质因子高的缺陷态,具有高态密度,可增强自发辐射。
将该现象称为P u r-c e l l效应。
3 光子晶体的制备方法光子晶体的实验制备远要滞后于理论研究。
人工制作光子晶体的主要问题在于如何构成周期性的复杂结构。
经过多年努力,光子晶体的制备已从微波波段推进到可见光波段。
其制备技术总体分为两类:自上而下的精密加工法和自下而上的自组装法。
3.1 精密加工方法3.1.1 机械钻孔方法微波波段的光子晶体由于其晶格常数在厘米至毫米级,制作较容易,用机械方法便可实现。
1989年,Y a b l o n o v i t c h用钻孔的方法获得由8000个球形“空气原子”组成的面心立方结构,当“空气原子”的间距为12.7m m,占空比为86%,基底折射率为3.5时,观察到了光子带隙。
之后,Y a b l o n o v i t c h等改进了钻孔方法,用活性离子束依次从三个相差120°的方向穿孔,得到近椭球圆柱形的“空气原子”所构成的f c c空间阵列结构,从而打破了对称性造成的能级简并,并制造出第一块具有完全光子带隙的三维光子晶体,称为Y a b l o n o v i t c h结构[10-11]。
3.1.2 逐层叠加法A m e s实验室的研究人员提出了层与层堆垛(L a y e r-b y-l a y e r)法[12],可避免打孔。
他们最初用A l2O3介质棒构建层与层堆垛结构,相邻两层A l2O3棒方向垂直,第三层A l2O3棒相对于第一层A l2O3棒移动半个棒间距,如此重复排列,以四层构成一个单元。