光子禁带材料
光子晶体定义
光子晶体定义
光子晶体是一种具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构。
从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。
光子晶体即光子禁带材料，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
它是一种具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，其内部的光子能级在特定频率范围内具有带隙特性，即某些频率的光子无法在其中传播。
这种特性使得光子晶体在光学领域具有广泛的应用前景，例如光子禁带滤波器、光子晶体激光器、光子晶体传感器等。
它的周期性介电结构可以由多种材料制成，例如二氧化硅、氮化硅、聚合物等。
这些材料具有不同的介电常数和折射率，因此可以通过改变材料的组成和结构来调节光子晶体的带隙特性。
光子晶体的带隙特性可以通过不同的方式进行调节，例如改变光子晶体的尺寸、形状和介电常数等。
此外，还可以通过引入缺陷或改变光子晶体的对称性等方式来控制光子在其中的传播。
在光学领域的应用前景非常广泛，例如在通信领域中可以用于制造高性能的光子晶体滤波器，提高通信系统的性能和稳定性；在生物医学领域中可以用于制造光子晶体传感器，检测生物分子和细胞的变化；在能源领域中可以用于制造高效的光子晶体太阳能电池，提高太阳能的利用率。
光子晶体是一种具有广泛应用前景的新型光学材料，其带隙特性和应用前景受到广泛关注和研究。
光子晶体原理
光子晶体原理光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，其结构中的周期性排列使得光子在晶格中的传播受到了限制，从而产生了许多独特的光学性质。
光子晶体的原理和应用在光学领域中具有重要的意义，对于光子学、光子晶体器件以及光子晶体材料的研究和应用具有重要的意义。
光子晶体的原理主要基于周期性结构对光子的布拉格散射效应。
在光子晶体中，周期性的结构使得光子在晶格中的传播受到了限制，光子的波长与晶格常数之间存在着特定的关系，这种关系使得光子在晶格中发生布拉格散射，从而形成光子带隙。
这种光子带隙使得光子在特定频率范围内无法传播，从而产生了光子晶体的光学禁带结构。
光子晶体的原理还包括了光子晶体的周期性结构对光子的色散关系的影响。
由于光子晶体的周期性结构，光子在晶格中的传播受到了限制，从而使得光子的色散关系发生了变化。
在光子晶体中，光子的色散关系不再遵循自由空间中的抛物线形式，而是在布里渊区中出现了新的色散关系。
这种新的色散关系使得光子在晶格中的传播具有了独特的性质，从而产生了许多新的光学现象。
光子晶体的原理还包括了光子晶体的周期性结构对光子的能带结构的影响。
在光子晶体中，光子的能带结构受到了晶格周期性结构的影响，从而产生了光子带隙。
这种光子带隙使得光子在特定频率范围内无法传播，从而产生了光子晶体的光学禁带结构。
光子晶体的光学禁带结构对于光子在晶格中的传播具有了重要的影响，从而产生了许多新的光学性质。
综上所述，光子晶体的原理主要包括了周期性结构对光子的布拉格散射效应、色散关系的影响以及能带结构的形成。
光子晶体的原理不仅具有重要的理论意义，还具有重要的应用价值。
光子晶体的研究和应用在光学领域中具有重要的意义，对于光子学、光子晶体器件以及光子晶体材料的研究和应用具有重要的意义。
相信随着光子晶体原理的深入研究，光子晶体在光学领域中的应用将会得到进一步的发展和拓展。
光子晶体
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)。
电子计算机技术中的应用--CPU
整合各种光子晶体相关结构所设计的集成光路之想象图
电子计算机技术中的应用--光纤
传统光纤的缺点
不同波长的光穿过光纤纤芯的 速度也不同。考虑长距传输时，在 信号中就将出现时间延迟，所以信 号就需要在不同的波长编码。光纤 纤芯越粗延迟越厉害，通过这样的 纤维的一个光脉冲变宽，必将限制 能精确接收的数据率。
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。
自然界中的光子晶体
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。
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
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。
tam教授的光子晶体
tam教授的光子晶体光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以控制光的传播和操控光的性质。
tam教授在光子晶体领域做出了重要的贡献，他的研究成果在光子学、纳米技术和量子信息等领域有着广泛的应用。
光子晶体的周期性结构是由介质的折射率分布所决定的。
tam教授的研究主要集中在设计和制备光子晶体的方法和技术上。
他提出了一种基于自组装技术的制备方法，通过控制材料的相互作用力，使得光子晶体的周期性结构能够自发形成。
这种自组装方法不仅简单高效，而且可以制备出大面积的光子晶体材料。
tam教授的研究还涉及到光子晶体的光学性质。
光子晶体具有禁带结构，即存在禁止光的传播的频率范围。
tam教授通过调控光子晶体的结构参数，成功地实现了对禁带的调控。
他发现，通过改变光子晶体的周期、介质的折射率等因素，可以调节禁带的位置和宽度，从而实现对不同波长光的选择性传输和过滤。
这种调控禁带的能力为光子晶体在光通信和光传感等领域的应用提供了新的可能性。
除了光学性质，光子晶体还具有声学、电磁、热学等多种性质。
tam 教授的研究还包括光子晶体的多功能性应用。
他通过改变光子晶体的结构和材料，成功地实现了对声波、电磁波和热传导的调控。
这种多功能性使得光子晶体在声学器件、电磁波吸收和热管理等领域有着广泛的应用前景。
tam教授的研究成果在科研界和工业界引起了广泛的关注。
他的研究不仅推动了光子晶体领域的发展，也为其他领域的研究提供了新的思路和方法。
他的成果已经产生了重要的应用价值，并取得了一系列的专利。
tam教授还积极推动学术交流和合作，他的团队与国内外许多研究机构和企业建立了广泛的合作关系。
tam教授的光子晶体研究为光学和材料科学领域带来了重要的突破。
他的成果不仅在基础研究方面有着重要的意义，而且在应用领域也有着广泛的应用前景。
相信在tam教授的带领下，光子晶体领域将会取得更加令人瞩目的成就。
二维介质柱型graphite格子光子晶体禁带特性
关键词 ：光子 晶体 ；光 学 ；禁 带特 性 ；平 面波展 开法 ；ｇａｈｔ 子 ｒｐ ｉ ｅ格 中 图分 类 号 ：０４ ２ ３；Ｏ ４ １ １ ７ ． ８ ． 文献 标识 码 ：Ａ
光 子 晶 体 概 念 是 １８ ９ ７年 ，Ｅ Ｙ ｂ ｏ ｖ ｃ ¨ 在 ａ ｎｌ ｉ ｈ ｏｔ 讨论 抑 制 自发辐 射 和 ＳＪｈ 在研 究 光 子 局 域 时各 ｏ ｎ
其配位数为 ３ 目 ，ｇ ｐ ｉ 格子 已在光子晶体光 ． 前 ｒ ｈｅ ａ ｔ 纤 圳和光 子 晶体 激 光 器 ¨ 等 领 域 应 用． Ｇａｈｔ ｒｐｉ ｅ
格子 具 有 与 ｔａｇｌ 格 子 不 同 的禁 带 结 构 ，文 献 ｉ ｒ ｎｕａ ｒ ［ １１ ］ 指 出 ，介 质 圆柱 ｇａｈｔ 子 有 完 全 光 子 １—３ ｒｐｉ ｅ格
１ Ｇａｈ ｅ ｒ ｉ 格子光子晶体结构模型 ｐｔ
平 面 波展 开法 （ ｌｎ ａｅｅｐ ｎｉｎｍ ｔ ｄ ｐａ ｅｗ ｖ ｘ ａｓ ｅ ｏ ） ｏ ｈ
自独立 提 出的 ．光子 晶体通 过禁 带 及 禁 带 中的 缺 陷 态 可方 便地禁 止 或允 许 一定 频 率 的 光 子通 过 ，这 一 特性 决 定 了 光 子 晶 体 在 发 光 二 极 管 、光 滤 波 器 ］ 、光 子 晶体光 纤 和 光子 开关 等方 面 的广 泛
禁带 存 在．尽 管 空气 柱 型 ｔ ａｇ ｌ 格 子可 以产 生较 ｉ ｒ ｎ ｕａ ｒ
可 ｋ ）ｋ Ｇ） （ Ｇ） （ ＋Ｇ）＝ ∑ （ ＋Ｇ （ ＋ 一 Ｇ— Ｈ ｋ
２
宽 的完 全 光 子 禁 带 ¨ ，但 出现 完 全 光 子 禁 带 时 介 质填 充非 常小 ，导致 其连 通 性 较 差 ，实 验 制作 较 为 困难 ．本 文通 过 对 介 质 柱 型 ｇａｈｔ 子 光 子 晶体 ｒｐｉ ｅ格 进行 系统 地模 拟计 算 ，分 析 介 质材 料 的折 射 率 、填 充 比 、散 射子 形状 和旋 转 角度 与完 全 光 子禁 带 的关 系 ，以期 为 二 维 光 子 晶体 的实 验 研 究 提 供 理 论 依
光子晶体论文
光子晶体摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。
本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。
光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。
光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。
关键字：光子晶体;材料制备;前景应用Hotonic crystalAbstract:photonic crystal is a photonic band gap in periodic dielectric structure material, according to their spatial distribution is divided into one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional photonic crystal, one-dimensional light in crystals have been obtained the practical application, 3D light in the crystal is still in the laboratory stage, because of its excellent performance, future photonic crystal material bound to get development, application is more extensive. This paper briefly discusses the principle of photonic crystal, theoretical research, preparation and application. Photonic crystal material is the most potential of one of the materials, to the world in the late eighty put forward this concept. Light in materials research and application has been great development, present in the fiber and semiconductor lasers have been applied, the photonic materials the basic concepts and research status are summarized and the future development trends to make the corresponding prediction.Keywords: photonic crystal material preparation and its application prospect光子晶体的原理1、什么是光子晶体光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。
光子晶体介绍
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图2.1 二维正方晶格结构的示意图
（1）TM模式 （2）TE模式
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15
一、 平面波展开法和有限 时域差分法及其应用
光子晶体的禁带机理及不同结构晶体薄 膜的制备和光学性质 研究
1
主要内容
一、引言 二、理论研究 三、实验制作和分析表征 四、总结
2
一、引言
3
一、引言（1）
1、光子晶体概念； 2、光子晶体基本特征； 3、光子晶体的场方程； 4、光子晶体的能带； 5、光子晶体的研究方法； 6、光子晶体的制作方法和最新进展； 7、光子晶体的应用。 8、本研究的主要内容。
基于遗传算法的光子晶体禁带设计问题研究
基于遗传算法的光子晶体禁带设计问题研究随着光子晶体在光电子领域的重要性逐渐凸显，光子晶体的禁带设计问题也成为了研究的热点之一。
而基于遗传算法的禁带设计方法因其全局搜索能力和适应度优化能力被广泛应用于光子晶体的禁带设计中。
本文将从光子晶体的基本概念入手，介绍光子晶体禁带设计问题并对基于遗传算法的研究方法进行探讨和分析。
一、光子晶体的基本概念光子晶体是一种具有周期性介电常数或介电磁导率的新型材料，其具有光子带隙结构，能够对光子进行完全的布里渊散射，因而被称为“光子晶体”。
光子晶体具有超高的光子停带宽度和光子分异度，这一特性使得光子晶体在光电子领域有着广泛的应用前景。
二、光子晶体禁带设计问题光子晶体的禁带是指在光子晶体材料中光子在波数空间中不能通过的范围，对光子进行过滤强度的频谱范围。
设计出具有特定禁带宽度和禁带频率的光子晶体材料是光子晶体研究的核心问题之一。
在光子晶体禁带设计问题中，需要确定材料的结构参数（如周期、公差等）以及介电常数分布等。
传统的禁带设计方法通常需要进行大量的试验和仿真分析，费时费力。
而基于遗传算法的禁带设计方法则可以通过参数优化和适应度评估，快速有效地搜索到最优的禁带结构。
三、基于遗传算法的光子晶体禁带设计研究方法基于遗传算法的光子晶体禁带设计方法是通过数学模型和计算机仿真来实现的，其基本思想是将材料的结构参数编码成遗传算法的染色体，通过交叉、变异等遗传操作来搜索最优解。
1.编码设计在基于遗传算法的光子晶体禁带设计中，需要对光子晶体的结构参数进行合理的编码设计，常用的编码方法有二进制编码、浮点编码等。
通过编码设计，可以将问题转化为遗传算法的优化问题。
2.适应度函数设计对于禁带设计问题，需要设计合适的适应度函数来评估每个个体的优劣程度。
适应度函数需要综合考虑禁带宽度、禁带频率、材料损耗等多个因素，从而能够全面评价禁带结构的优劣。
3.遗传算子设计遗传算法的交叉、变异等遗传操作是搜索最优解的关键。
微纳练习题解答
微纳练习题解答⼀、简答题1.套准精度,套准容差的定义。
⼤约关键尺⼨的多少是套准容差？套准精度是测量对准系统把版图套准到硅⽚上图形的能⼒。
套准容差描述要形成图形层和前层的最⼤相对位移,⼀般，套准容差⼤约是关键尺⼨的三分之⼀。
2.信息微系统的特点是什么？低成本，能耗低，体积⼩，重量轻，⾼可靠性和批量⽣产，可集成并实现复杂功能。
3.微加⼯技术是由什么技术发展⽽来的，⼜不完全同于这种技术。
独特的微加⼯技术包括哪些？（1）微电⼦加⼯技术；（2）表⾯微制造、体硅微制造和LIGA⼯艺。
4.微电⼦的发展规律为摩尔定律，其主要内容是什么?集成电路芯⽚的集成度每三年提⾼4倍，⽽加⼯特征尺⼨缩⼩√2倍5.单晶、多晶和⾮晶的特点各是什么？单晶：⼏乎所有的原⼦都占据着安排良好的规则的位置，即晶格位置；⾮晶：原⼦不具有长程有序，其中的化学键，键长和⽅向在⼀定的范围内变化；多晶：是彼此间随机取向的⼩单晶的聚集体，在⼯艺过程中，⼩单晶的晶胞⼤⼩和取向会时常发⽣变化，有时在电路⼯作期间也发⽣变化6.半导体是导电能⼒介于导体和绝缘体之间的物质；当受外界光和热作⽤时，半导体的导电能⼒明显变化；在纯净半导体中掺⼊某些杂质可以使半导体的导电能⼒发⽣数量级的变化。
7.在光滑的⾦属和空⽓界⾯，为什么不能激发表⾯等离⼦体波？对于光滑的⾦属表⾯，因为表⾯等离⼦体波的波⽮⼤于光波的波⽮，所以不能激发表⾯等离⼦体波。
8.磁控溅射镀膜⼯艺中，加磁场的主要⽬的是什么？将电⼦约束在靶材料表⾯附近，延长其在等离⼦体中运动的轨迹，提⾼与⽓体分⼦碰撞和电离的⼏率9.谐衍射光学元件的优点是什么？⾼衍射效率、优良的⾊散功能、减⼩微细加⼯的难度、独特的光学功能10.描述曝光波长与图像分辨率的关系，提⾼图像分辨率，有哪些⽅法？（1）NA = 2 r0/D, 数值孔径；K1是⼯艺因⼦：0.6～0.8（2）减⼩波长和K1，增加数值孔径11.什么是等离⼦体去胶，去胶机的⽬的是什么？氧⽓在强电场作⽤下电离产⽣的活性氧，使光刻胶氧化⽽成为可挥发的CO2、H2O 及其他⽓体⽽被带⾛；⽬的是去除光刻后残留的聚合物12.硅槽⼲法刻蚀过程中侧壁是如何被保护⽽不被横向刻蚀的？通过控制F/C的⽐例，形成聚合物，在侧壁上⽣成抗腐蚀膜13.折衍混合光学的特点是什么？折衍混杂的光学系统能突破传统光学系统的许多局限，在改善系统成像质量减⼩系统体积和质量等诸多⽅⾯表现出传统光学不可⽐拟的优势14.刻蚀⼯艺有哪两种类型？简单描述各类刻蚀⼯艺⼲法刻蚀：在⽓态等离⼦体中，通过发⽣物理或化学作⽤进⾏刻蚀湿法刻蚀：采⽤液体腐蚀剂，通过溶液和薄膜间得化学反应就能够将暴露得材料腐蚀掉15.微纳结构光学涉及三个理论领域，其中标量衍射理论适⽤于设计d>=10λ的微纳光学器件；⽮量衍射理论适⽤于设计d～λ的微纳光学器件；等效介质折射理论适⽤于设计d<=λ/10的微纳光学器件。
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。
一维光子晶体的能带结构研究.
目录摘要.............................................................. I I Abstract.......................................................... I II 前言.............................................................. I V 第一章光子晶体 (1)1.1 光子晶体简介 (1)1.2 光子晶体的结构 (1)1.3 光子晶体的特性 (2)1.3.1 光子晶体具有周期性结构 (2)1.3.2 光子晶体具有光子禁带 (3)1.3.3 光子晶体能抑制自发辐射 (3)1.3.4 光子晶体具有光子局域 (4)第二章一维光子晶体的能带结构研究 (5)2.1 研究一维光子晶体能带的方法 (5)2.1.1 特征矩阵法 (5)2.1.2 平面波展开法 (6)2.2 一维光子晶体的能带结构研究 (8)第三章一维光子晶体的特征 (11)3.1 光子禁带 (11)3.2 光子局域 (12)第四章一维光子晶体光带隙性能的影响因素探讨 (15)4.1 周期数的影响 (15)4.2 折射率比值的影响 (15)4.3 中心波长的影响 (16)第五章结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)一维光子晶体的能带结构研究摘要在当今世界，科学家们在不断研究大规模集成电路时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。
所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子，即光子晶体。
随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光子的控制。
本论文主要对一维光子晶体的能带、禁带进行深入地研究，这对设计和制备一维光子晶体具有指导意义。
光子晶体光纤概述
光子晶体光纤概述光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF）是一种基于光子晶体的特殊光纤，其内部结构通过周期性排列的微结构孔道以控制和引导光信号的传播。
相比于传统的光纤，光子晶体光纤具有许多优异的特点和应用前景。
本文将对光子晶体光纤的概述进行详细介绍。
首先，光子晶体光纤的设计和制备基于光子晶体的结构和性质。
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的人工材料，类似于原子晶体中的周期性晶格。
光子晶体具有禁带结构，使得特定波长的光在其中无法传播，从而实现对光信号的控制。
光子晶体光纤则是利用光子晶体的这种特性进行光信号的传输和处理。
在光子晶体光纤中，光信号通过微结构孔道进行传输。
这些孔道可以是气体孔道、空气孔道或者填充了特定介质的孔道，根据不同的应用需求进行设计。
利用光子晶体的禁带结构特性，光子晶体光纤可以实现多种传输方式，如单模传输、多模传输、混合模传输和超模传输等，以及特定波长的滤波和调制功能。
光子晶体光纤相比传统光纤具有许多优势。
首先，光子晶体光纤具有更低的色散特性，能够实现更宽的光带宽和更高的传输速率。
其次，光子晶体光纤具有更高的非线性效应，可用于光学信号处理和光学器件制备。
此外，光子晶体光纤还具有更大的模场面积，可以实现更高的光功率传输和更低的光损耗。
光子晶体光纤在通信、光子学和生物医学等领域拥有广泛的应用前景。
在通信领域，光子晶体光纤可以用于高速宽带传输、红外光通信和光信号调制等应用。
在光子学领域，光子晶体光纤可以用于激光增强、光谱分析和光学传感等应用。
在生物医学领域，光子晶体光纤可以用于激光手术、光学成像和生物传感等应用。
然而，光子晶体光纤的制备和应用仍然面临许多挑战。
目前，光子晶体光纤的制备技术相对复杂，需要高精度的光学和材料工艺。
此外，光子晶体光纤的设计和理论研究也仍处于初级阶段，需要进一步探索和发展。
总之，光子晶体光纤作为一种新型的光纤材料，具有许多独特的特点和应用前景。
光子晶体的禁带特性及其研究方法的开题报告
光子晶体的禁带特性及其研究方法的开题报告一、研究背景光子晶体是一类新兴的材料，它是由间隔着周期性的高介电常数和低介电常数的材料组成的光学结构。
光子晶体具有一个重要的特性——禁带，即对特定频率的光波进行完全反射或吸收，与电子晶体的禁带类似。
这种特性使光子晶体在光学传输、光学存储、光学控制等领域具有广泛的应用前景。
因此，研究光子晶体的禁带特性及其研究方法具有重要的学术和应用价值。
二、目标和意义本文旨在系统地介绍光子晶体的禁带特性以及其研究方法，包括理论分析和实验方法。
在理论分析方面，我们希望通过对平面周期、表面和非周期性的光子晶体结构的分析，揭示光子晶体禁带的本质原理及其发生的机制；在实验方法方面，我们将介绍传统的光学测试技术、微型加工技术等多种方法，以及在光子晶体研究中使用的前沿技术，如光子晶体光纤、光子晶体传感器等。
三、研究内容和方法本文主要的研究内容包括：1. 光子晶体禁带的基本概念和原理2. 光子晶体禁带的形成机制3. 光子晶体禁带的计算方法4. 光子晶体禁带的测量方法和技术5. 光子晶体禁带的应用和发展前景本文的研究方法主要包括文献综述、理论分析和实验方法探究。
在文献综述方面，我们将对已有的文献进行梳理和分析，深入剖析光子晶体的禁带研究现状和发展趋势；在理论分析方面，我们将基于光子晶体的物理特性和本质原理，分析光子晶体禁带的形成机制和计算方法；在实验方法方面，我们将从光学测试技术、微型加工技术和前沿技术方面入手，从而探讨光子晶体禁带的测量方法和技术。
四、预期结果通过对光子晶体禁带特性及其研究方法的系统研究，本文将预期取得如下的结果：1. 深入理解光子晶体禁带的基本概念和原理2. 揭示光子晶体禁带的形成机制和计算方法3. 探究光子晶体禁带的测量方法和技术4. 分析光子晶体禁带的应用前景和研究趋势。
光子晶体禁带特性
一维光子晶体的折射率的变化是具有严格周期性的，它由两种或两种 以上的介质层交替排列而成，形成了一定的周期性。正是这种周期性， 使光子晶体出现了禁带。如果光的频率处于禁带频率范围内，当光通 过光子晶体时会被禁止传播.
如果在光子晶体中引入缺陷，禁带会发生什么样的变化?
a b
a b
…
A B
A3,B3,C3,D3,E3
C单元中两介质层的光学厚度均为λ 0/4 A、B、D和E中介质层光学厚度分别为单元C 对应的0.8、0.9、1.1和1.2倍
普通光子晶体
特殊光子晶体
一维光子晶体的串联
把两个或以上一维光子晶体串联起来，形成新的一维光子晶 体结构.
单个光子晶体
为了得到连续的宽禁带，两 个串联的一维光子晶体禁带 范围需要有重叠的部分。
缺陷层折射率对光子禁带的影响
改变n3的大小
n3=1.4
禁带中存在缺陷模
n3=2.4
缺陷模1向右移动，并且禁带 左侧有出现新缺陷模的迹象 缺陷模1继续向右移动，而新出现 的缺陷模2也随之向右移动。出现 两个缺陷模共存的现象，即只引 入一个缺陷层，也能使禁带中出 现两个缺陷模。
n3=2.8
随着n3增大， 缺陷模向长波方向漂移，每个 缺陷模都有产生、移动和消失 的过程 适当调节缺陷层c的折射率，可 以使单缺陷一维光子晶体的禁 带中同时存在两个，甚至更多 缺陷模。
无缺陷
含单层缺陷 光子局域
对于单层缺陷c，可以改 变的参数有折射率、厚 度和所处的位置。如果 改变c层的参数，对一维 光子晶体的禁带有什么 样的影响？对缺陷模又 有什么样的影响？
光子禁带中间出现了一条狭窄的分裂带，把禁带 一分为二。这条分裂带的出现是由单层缺陷引起 的，我们称这条分裂带为缺陷模，其底部所对应 的波长为Βιβλιοθήκη 701.4nm，反射率为0.53。
光子晶体概念的提出
光子晶体概念的提出
光子晶体是一种具有禁带结构的周期性光学介质，可以在光子能带中产生完全或局部的带隙，类似于电子在晶体中的能带结构。
光子晶体的概念最早由日本科学家山中伸弥和美国科学家Eli Yablonovitch提出，并于1987年独立提出。
光子晶体的核心思想是通过周期性的折射率分布来限制光的传播。
通过合理设计光子晶体的周期性结构，可以实现对特定波长的光的传输和控制，同时对其他波长的光进行衍射或反射。
这使得光子晶体能够控制光的流动，例如实现光的全反射、光的引导、光的波导等。
光子晶体在光学领域有着广泛的应用，例如用于制造高效率的光源、光纤通信、光传感器、光学集成电路等。
由于光子晶体的禁带结构和尺寸可调控性，还可以用于制造光学透镜、光学滤波器、光学干涉仪等光学器件。
总之，光子晶体的提出为光学领域带来了全新的研究方向和应用领域，促进了光学器件的发展和创新。
光学bic的类型
光学bic的类型
光学BIC（Bragg induced index change）是一种利用光子晶体的布拉格反射效应来实现光学波导中的折射率变化的技术。
根据折射率变化的原理和方式，光学BIC可以分为几个类型：
1. 晶格施加型光学BIC（Lattice-induced Optical BIC）：通过改变光子晶体的晶格常数，使晶格中的原子或分子间距发生变化，从而改变晶格中的折射率。
这种类型的光学BIC主要依赖于材料的物理性质。
2. 光子禁带型光学BIC（Photonic Bandgap-induced Optical BIC）：光子晶体具有光子禁带的特性，当光的频率位于光子禁带范围内时，会发生完全反射。
通过改变光子晶体的晶格结构或材料的折射率，可以调整光子禁带的位置和宽度，进而实现光学BIC。
3. 斜入射型光学BIC（Oblique-incidence-induced Optical BIC）：斜入射型光学BIC利用斜入射角度和材料折射率之间的关系，通过选择合适的入射角度，使光在波导中沿特定方向传播，同时具有完全反射的特性。
这些类型的光学BIC可以根据具体应用需求进行选择和设计，以实现不同光学器件的功能。
自然界的光子晶体
自然界的光子晶体光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其结构类似于晶体，但是其周期性不是由原子或分子的排列所决定，而是由光的传播性质所决定。
光子晶体的出现为光学领域带来了革命性的变化，它不仅可以用于光学器件的设计和制造，还可以在光子学中发挥重要作用。
自然界中存在着许多具有光子晶体结构的生物体，这些生物体利用光子晶体结构来实现各种特殊的光学功能。
其中最为人所熟知的就是孔雀的羽毛。
孔雀的羽毛上有许多微小的周期性结构，这些结构可以将光线散射成不同的颜色，从而形成绚丽多彩的孔雀翎毛。
除了孔雀之外，蝴蝶的翅膀、蜻蜓的翅膀、蜜蜂的眼睛等生物体也具有类似的光子晶体结构。
这些生物体利用光子晶体结构来实现光的反射、散射、折射等特殊的光学效果，从而在自然界中展现出绚丽多彩的色彩。
光子晶体的研究不仅局限于生物体，还涉及到人工合成的光子晶体。
人们通过控制材料的结构和组成，可以制造出具有特定光学性质的光子晶体。
这些人工合成的光子晶体在光学通信、光传感、光储存等领域具有广泛的应用。
光子晶体的制备方法有很多种，其中最为常见的是自组装方法。
自组装是指通过控制材料中的自组装过程，使其形成特定的结构。
在制备光子晶体时，可以利用材料的自组装性质，使其形成具有周期性结构的光子晶体。
光子晶体的周期性结构决定了其具有特殊的光学性质。
光子晶体可以通过调控其结构的周期和缺陷来实现光的控制。
例如，当光子晶体的周期与光的波长相当时，光子晶体对该波长的光会发生布拉格散射，从而形成光子禁带。
利用这种光子禁带的特性，可以制造出具有特定波长选择性的光学器件。
光子晶体的研究不仅在光学领域具有重要意义，还在其他领域具有广泛的应用。
例如，在能源领域，光子晶体可以用于太阳能电池的设计和制造，提高光的吸收效率。
在生物医学领域，光子晶体可以用于光热治疗、光学成像等方面，为疾病的诊断和治疗提供新的手段。
光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在自然界中广泛存在，并且在人工合成的光子晶体中具有重要的应用。
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光子晶体概念也许现在的你对光子晶体这个名字并不熟悉，然而正如20世纪初人们对硅这种半导体材料的懵懂一样，也许在21世纪末的时候，你将对这个名词耳熟能详。
因为，到时从你的书桌上摆着的高速个人电脑（上百甚至上千G Hz的运算速度），到快速而便捷的网络设施，甚至直至你家中能够根据室内实际温度自动开关调节的空调系统，都可能要得益于这种前途光明的新型材料的伟大功劳。
光子晶体是一个很前沿的话题，同时它也是一个很深奥的物理概念。
要想把光子晶体解释清楚，并不是一件容易的事。
但是要想了解它，可以先从它产生的背景说起。
我们现在都知道，半导体在我们的生活中充当了重要的角色。
利用它的一些区别于导体和绝缘体的特殊的性质，人们制造出了许多的现代固体电子与光电子器件。
收音机、电视、计算机、电话、手机等等无一不再应用着半导体制成的芯片、发光二极管（LED）等等组件。
而给我们带来这么多便利的半导体材料大多是一些晶体。
所谓的晶体，是指内部原子有序排列，形成一种周期性的重复结构，而往往就是这些重复性的结构存在，才决定了半导体的特殊性质。
晶体又分单晶和多晶：screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">单晶——在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列，由于内部的有序性和规则性，其外形往往是某种规则的立体结构。
screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;"> 多晶——只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。
我们熟悉的硅、锗等晶体就属于单晶。
screen.width-500)this.style.width= screen.width-500;">半导体分类：半导体可分为本征半导体、P型半导体、N型半导体。
本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半导体。
硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
P型半导体：P型半导体是在4价的本征半导体中混入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的铟合成的晶体。
由于3价原子进入4价原子中，因此这晶体结构中就产生了少一电子的部分。
由于少一电子，所以带正电。
P型的“P”正是取“Positve（正）”一词的第一个字母。
screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">N型半导体：若把5价的原子，譬如砷混入4价的本征半导体，将产生多余1个电子的状态结晶，显负电性。
这N是从“Negative（负）”中取的第一个字母。
二极管的原理：如图一是未加电场（电压）的情况P型载流子和N型载流子随机地在晶体中。
若在图二中的N端施加正电压，在P端施加负电压，内部的载流子，电子被拉到正电压方，空核被拉到负电压方，从而结合面上的载流子数量大大减少，电阻便增大了。
如图三加相反电压，此时内部载流子通过结合面，变得易于流动。
换言之电阻变小，电流正向流动。
screen.width-500) this.style.width=screen.width-500;">请记住：二极管的正向导通是从P型指向N型，国际的标法是：三角形表示P型，横线是N型。
二极管在0.6V以上的电压下电流可急剧移动，反向则无！screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;"> 能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。
每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。
为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。
screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;">能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。
致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。
从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。
禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。
原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。
被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。
价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。
导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。
导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔称为禁带Eg。
导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。
导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。
对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。
例如，绝缘材料SiO2的Eg 约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。
半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。
金属的导带与价带有一定程度的重合，E g=0，价电子可以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10- 6—10-3Ω·cm。
众所周知，很多的研究都是起源于对自然界不同领域存在类似现象的假设开始的。
因为宇宙万物遵循着相同的规律，即使外表再怎样的千变万化，而内在的规则却是有着高度一致性。
这正是宇宙的神奇之处，也是人类难解的秘密。
光子晶体的产生亦是如此，它是科学家们在假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律的基础上发展出来的。
从晶体结构图中，我们可以看出晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。
电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。
其实，不论是电磁波，还是其它波如光波等，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。
而能量落在带隙中的波同样不能传播。
screen.width-500)this.style.width=screen.width-500;"> 简言之，半导体中离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子（半导体中的电子或者空穴）在半导体中的运动。
相似的，在光子晶体中是由光的折射率指数的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。
其实自然界中早就有天然的光子晶体存在。
1.蝴蝶翅膀在生物界中，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。
据英国《新科学家》周刊报道，英国埃克塞特大学物理学家彼得·武库希奇和罗伊·桑布尔斯于１９９７年开始合作，花了３年时间研究蝴蝶和飞蛾翅膀的构造特征。
他们发现，从不同角度观察大闪蝶时，它的虹彩会发生令人惊叹的改变，原因则在于所谓的“结构颜色”——光线在物体内部经过多次反射而形成的颜色。
他们发现，蝴蝶翅膀由数层仅有３至４微米厚的鳞片组成，这些鳞片像微小的屋瓦一样交迭，每个鳞片的构造也很复杂。
蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体，它们之所以可以呈现美丽的色彩，正是由于在不同的方向上有不同频率的光被散射和透射。
两位科学家的研究成果很快引起了法国化妆品业巨头欧莱雅的兴趣，欧莱雅研究人员由此开发出人工合成光子晶体并将之运用于化妆品的技术，研制出光子唇彩、光子睫毛膏、光子眼影和光子指甲油等等，其样品在日光下熠熠生辉，效果惊人。
不过，这种新型光子化妆品有一个缺陷，就是必须借助日光才能发挥效果，如果在昏暗的房间里，它就几乎看不出来了。
欧莱雅的研究人员正在为克服这一缺陷而努力。
据报道，欧莱雅希望明年向市场推出首批光子化妆品。
2. 孔雀羽毛这个工作是复旦的资剑做的。
在蝴蝶翅膀的研究论文发表后，国内的精明人对诸如翠鸟，孔雀等羽毛颜色的来源产生了兴趣。
于是拿一根羽毛来做扫描电镜观察。
这个是电镜的照片，可以看到有好多规则排列的微结构。
这些东西，象光栅一样，会对入射的白光选择性反射，所以看起来很绚丽。
然后就是在观察基础上，做计算，看是不是这些结构对光产生了调制。
这是计算和实验结果的对比Measured reflectance at normal incidence. (A) Measured reflectance of differently colored barbule s for E polarization. Blue, green, yellow, and brown lines indicate the results of the blue, green, yellow, and brown barbules, respectively. (B) Measured reflectance of the green barbule with (dar k green) and without (green) glycerine infiltrated for E polarization. (C) Measured reflectance of th e green barbule for E (green) and H (dark green) polarizations.（测量到的正入射时的反射频率谱。
有对不同偏振的测量和计算）。
看起来，理论和实验符合得很好。
3。
海老鼠的脊椎（？）海老鼠是生活在水深不超过2000公尺的一种海中蠕虫，身长约15-20公分，身宽5公分，正式名称为Aphrodita，是由十八世纪的瑞典植物学家林奈(C. Linnaeus)所命名。
它的整个背部覆盖了毛毡状的长刺，呈现出色彩缤纷的外观。
这个色彩缤纷的外观，来自于其针状毛发对光的反应。
当光以垂直角度入射时，毛刺呈红色，随着入射角的偏离，颜色也越偏蓝绿色(见左图)。
这个反射光颜色随入射角度而变的性质，正是光子晶体的特征之一，而海老鼠的毛刺在电子显微镜下(右图)，果然清楚地呈现六角晶格的周期结构。