光子晶体-PPT精选
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光子晶体光纤在传感中的应用PPT课件
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
激光束经起偏器和 波片后变为圆偏振 光，对传感用高折射单模光纤的两个正交偏 振态均匀激励。由于其相移不同，输出光的 合成偏振态可在左旋圆偏振光、45o线偏振光、 右旋圆偏振光、135o线偏振光之间变化。若 输出端只检测45o线偏振分量，则输出光强为：
式中 是受外界因素影响而发生的相位变化。
光子晶体光纤传感技术
光子晶体光纤传感技术
光纤传感技术的优点：
一、光纤工作频带宽，动态范围大，灵敏度高，由 于传输的信息载体是光，光信号载频高，频带宽 ，光器件己较成熟，所以己研制成功的光纤传感 器分辨率大部分优于其他同类传感器。
二、在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或被 测场的加载，是一种优良的敏感元件：光纤是一 种优良的低损耗传输线， 适合于遥测遥控，因此 不必考虑测量仪器和被测物体的相对位置；特别 适合于带电传感器不太适于的地方，可以与光纤 遥测技术相配合实现远距离测量与控制。
光子晶体光纤传感技术
三、光纤是无源器件，对被测对象不产生影 响，光纤材料有很好的电绝缘性，同时易 为各种光探测器件接收，可方便地进行光 电或电光转换，易与高度发展的现代电子 装置和计算机相匹配。
四、其自身独立性好，可适应各种使用环境。 光纤体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗 辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空 间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下 使用。
光子晶体光纤传感技术
Mach-Zehnder光纤干涉仪有一个重要的 缺点，由于利用双臂干涉，因此外界因素对 参考臂的扰动常常会引起很大的干扰，甚至 破坏仪器的正常工作。为克服这一缺点，可 利用单根高双折射单模光纤中的两正交偏振 模在外界因素影响下相移的不同进行传感。 下图是利用这种办法构成的光纤温度传感器 的原理图，这是一种光纤偏振干涉仪。
《光子晶体》PPT课件
Electrons
Coulomb interactions （库伦力作用）
Electron-tunneling with the amplitude (probability) decaying exponentially 遂穿效应几率幅指数衰减
Strong scattering derived from a large variation in coulomb interactions. eg. in electronic semiconductor crystals
Photons
·
Interaction potential in a
medium:
Dielectric constant (refractive index)
·
Propagation in classically
forbidden zone
Photon tunneling (evanescent wave) with wave vector k imaginary and hence amplitude decaying exponentially
能隙
Valence Band
k
k
(a) Direct Bandgap (b) Indirect Bandgap
(eg. GaAs, InP,
(eg. Si, Ge, GaP)
CdS)
光子晶体
光子晶体可分为一维、二维和三维。 +时间：四维。
1-D
2-D
3-D
一维： 眼镜、 滤波器、 光纤光栅等
periodic in one direction
此时有：
只要有周期的折射率差出现就会有能带
带隙的宽度：
光子晶体简介-15页PPT资料
三、光子晶体制备
• 光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的乙烯（折 射率为1.59）,理论计算表明由这些材料构成的面心立 方结构的胶体晶体没有光子带隙.对于相对低于空气折 射率的小球与空气空穴造成的折射率差别不足以形成 三维带隙的缺点,人们用以下方法试图克服这个困难使 用TiO2来填充颗粒中的空气间隙,而TiO2有较高的折射 率,最终将颗粒溶解,留下紧密排列的TiO2包围的球状空 气空穴.这样就可以形成三维的光子禁带了.但是这种方 法的缺点也很大,就是在制备的过程中会引入很多很多 的缺陷,而且这些缺陷很难控制,这就使该方法很难应用 。
2.布拉格定律
• 威廉·劳伦斯·布拉格使用了一个模型来解释这个结果， 模型中晶体为一组各自分离的平行平面，相邻平面间 的距离皆为一常数d。他的解释是，如果各平面反射出 来的X射线成相长干涉的话，那么入射的X射线经晶体 反射后会产生布拉格尖峰。当相位差为2π及其倍数时 ，干涉为相长的；这个条件可经由布拉格定律表示：
光子晶体简介
目录
光子晶体原理 光子晶体应用 光子晶体制备
一、光子晶体原理
• 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的.对于晶体我 们可以看到原子是周期性有序排列的,正是这种周期性 的排列,才在晶体之中产生了周期性的势场.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衍射, 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。
• P型(100)硅片制备二维光子晶体
光子禁带较宽的二维大孔硅光子晶体的填充比
也较大( r ≥0.4 a) . 实验中如果直接在掩膜中刻
印圆形窗口,则由于孔壁非常薄,将给制版、光刻 等工艺带来较大难度,另外,随后的电化学腐蚀过 程在垂直于孔洞轴线方向上的各向同性腐蚀会加 大孔洞直径.因此,我们改为首先在掩膜中刻印方 形窗口,然后利用KOH 溶液对(100) 硅片的各向 异性腐蚀特性产生V 形尖坑阵列,最后通过优化 电化学参数,利用其沿孔隙纵向的腐蚀速率远大 于垂直于孔隙轴线方向上的腐蚀速率的特性来制 备满足设计要求的大深宽比孔洞.
光子晶体课件
下面是两能带各自的concentration factor
A Square Lattice of Dielectric Veins
X点的集中 参数
TM模式的band1把能量集中在vein的交叉点，TE模式把能量集中在vein 的交叉点之间连线上，能量都集中在高介电常数区域，所以不会出现 gap。而对于TE模式，band1电场线集中在穿过交叉点的vein上，而 band2必须穿入空气，所以出现gap。
Electromagnetism
Symmetry
1D PhC (Layer)
2D PhC (Slab)
3D PhC
macroscopic Maxwell equations
Constitutive relations
ρ = 0 and J = 0; ignorable nonlinearity
Electromagnetism
The photonic band structures for on-axis propagation
The low frequency modes concentrate their energy in the high-ε regions, and the h-igh frequency modes have a larger fraction of their energy in the low-ε regions.
Off-Axis Propagation
1.离轴方向上没有明显的禁带
与on-axis传播 相比的区别 2.原on-axis传播的旋转对称性不存在了 存在旋转对称性的时候TE模、TM模是简并的，虽然离轴时旋转 对称性不存在了，但有可能存在其他对称性，如镜面对称性等
《光子晶体》课件
2 光刻技术
利用光刻技术在材料上 制造微细结构，形成光 子晶体的周期性结构。
3 多晶体堆叠
将多个具有不同周期性 的光子晶体堆叠在一起， 实现更复杂的光子晶体 结构。
光子晶体在光学器件中的应用
光学滤波器
利用光子晶体的能隙特性，制作用于波长选择性滤波的光学器件。
光学波导
将光子晶体结构引导和限制光束的传播路径，实现高效率的光学波导器件。
总结和展望
光子晶体作为一种具有周期性电介质结构的材料，具有广泛的应用前景。未 来，随着技术的进步和研究的深入，光子晶体将在光学领域发挥更重要的作 用。
光子带隙
光子晶体中的周期性结构导致 能隙的出现，使得特定波长的 光波无法传播，从而实现对光 的波长过滤和光学调制。
光束限制
光子晶体可以通过调整结构和 原材料的属性，使光束在特定 方向和模式下被限制和引导， 实现光的高度定向传输。
光子晶体的应用领域
1
光子芯片
2
光子晶体可用于制造微型光子芯片，
实现集成光学元件和光电子器件，为
电子芯片提供高速和低能耗的替代方
3
案。
光通信
光子晶体可用于制造光纤耦合器、波 分复用器、光开关等器件，提高光通 信的带宽和传输速率。
光传感器
光子晶体可用于制造高灵敏度光传感 器，用于环境监测、光学成像和生物 医学应用。
光子晶体的制备方法
1 自组装
通过控制材料的自组装 过程，制备具有周期性 结构的光子晶体。
激光器
通过在光子晶体材料中引入激光介质，制造高质量和高效率的激光器。
光子晶体的未来发展趋势
1
Hale Waihona Puke 超材料结合结合光子晶体与其他类似光学材料如金属和二维材料，构筑功能更强大的光学器 件。
光子晶体光纤的原理及应用ppt
谢谢！
周期结构
晶格常数 服从方程
原子
Å 量级 薛定谔方程
微结构
波长量级 Maxwell方程
波函数
分布
标量波
费米子
矢量波
玻色子
光子晶体光纤
发展历史
1987年提出光子能带的概念 1992年提出光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)的概念 1996年研制出第一根PCF 2000年第一家PCF公司成立 近年来光子晶体研究中比较热门的一个方向
光子晶体光纤－结构
solid core holey cladding forms
effective
low-index material
表征PCF结构特点和性能的3个特征参数：纤芯直径，包层 空气孔直径及空气孔间距。 由于PCF的空气孔排列和大小 有很大的控制余地，可以根据需要设计其光传输特性。
光子晶体光纤－分类
光子晶体光纤的原理及应用
提纲
基本原理
特性及应用 商业化
前景展望
光子晶体
光子晶体是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，周期结构形成光子 带隙（Photonic Bandgap，PBG ），实现控制 光子运动的目的，被成为光信息时代的“半导 体”。
光子晶体
晶体 光子晶体
特性及应用
高双折射
只需要破坏PCF剖面圆对称性，就 可以形成很强的双折射。
与传统保偏光纤(PMF)相比:
高双折射 单模工作范围大 温度稳定性好 ……
应用：
PMD补偿 单偏振单模光纤 孔中填充液晶等材料实现可方向移动，够在波长低于 1.3μm获得反常色散，同时保持单模。
光子晶体
23
Make photonic crystals methods
製作光子晶體的方式可以分為： (1)「由大縮小」(top-down) (2)「由小做大」(bottom-up)
列常見的製作的方法，包括： (1) 鑽孔法(drilling method) (2) 疊層法 (layer-by-layer method) (3) 自組裝方式 (self assembly method)
25
現代技術
從布拉格繞射條件： 2d sinθ = nλ 可知，
光子能隙處的光波波長與光子晶體的晶格常數 必須有相同的數量級。
隨著半導體製程技術的成熟發展，利用製作積 體電路的微影蝕刻技術 (lithography and etching)，例如：深紫外線曝光顯影技術 (deep-UV photolithography)、電子束微影 (E-beam lithography)以及聚焦離子束蝕刻 (focused ion-beam etching)
26
半導體製程技術優缺點
優點： 1. 半導體的製程技術使得光子晶體二維平面結 構的製作變得容易，有利於未來量產製作的實 現。 2. 微影蝕刻技術不但可以精確地製作出高度有 序的陣列，更可利用光罩的設計來達到控制光 波導的行徑方向。
缺點： 1. 微影製作技術通常適用於二維的平面結構， 並不適合於製作三維的光子晶體。
8
What’s photonic crystals？
具有光波波長尺度的週期性排列介質，則類比於電 子的物質波 (de Broglie wave) 與原子晶格的大小， 光( 電磁 ) 波在此巨觀排列的行為將有如電子在晶 體中一般，因此可藉由排列週期、空間結構和介質 的介電常數等性質來控制光的行為。 光子晶體是一個能與光產生交互作用的週期性結構 材料，其折射率 (refractive index) 在空間上為 週期性函數。
最新整理光子晶体小课题.ppt
Journal of the Experimental Analysis of Behavior, 17,325337(1972)
单层膜与紫外线？
峰数： 2 2 2 2
单层膜与紫外线？
意义：
无论角度如何， 总能保证对紫外 线的反射加强。 鸽子眼睛对紫外 段的敏感使它们 选择了这样的结 构。吸引注意， 方便联络。
鸽子单层膜特点：漂亮的虹彩色
为什么不能从颜色的角度解释？
1.人看到的颜色不等于动物看到的颜色
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
光谱变化，RGB值不一定变化，也即颜 色不一定变化。
为什么不是多层膜？
1.没有必要。对鸽子来说， 紫外线引起色觉的阈值能 量远远低于人类（Blough 1957）
2.由于反射面增多，多层膜 会提高整体反射率，太显 眼。tch function只适用于人。 取另外一套后，前述两种光谱得到的 RGB积分值不一样，也即对应不同颜色。
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
颜色没有参考价值，直接考察谱线。
前三组实验：唯有534nm和547nm滤 光片不允许通过紫外线，其他的都允 许通过。 第四组：事先把紫外部分滤掉 （文中的紫外线处于300nm至400nm）
单层膜与紫外线？
峰数： 2 2 2 2
单层膜与紫外线？
意义：
无论角度如何， 总能保证对紫外 线的反射加强。 鸽子眼睛对紫外 段的敏感使它们 选择了这样的结 构。吸引注意， 方便联络。
鸽子单层膜特点：漂亮的虹彩色
为什么不能从颜色的角度解释？
1.人看到的颜色不等于动物看到的颜色
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
为什么不能从颜色的角度解释？
2.人看来相同的颜色在动物眼中可能不一样
光谱变化，RGB值不一定变化，也即颜 色不一定变化。
为什么不是多层膜？
1.没有必要。对鸽子来说， 紫外线引起色觉的阈值能 量远远低于人类（Blough 1957）
2.由于反射面增多，多层膜 会提高整体反射率，太显 眼。tch function只适用于人。 取另外一套后，前述两种光谱得到的 RGB积分值不一样，也即对应不同颜色。
颜色:三种已知强 度的红，绿，蓝 的叠加
颜色没有参考价值，直接考察谱线。
前三组实验：唯有534nm和547nm滤 光片不允许通过紫外线，其他的都允 许通过。 第四组：事先把紫外部分滤掉 （文中的紫外线处于300nm至400nm）
光子晶体及其应用ppt课件
• 传播速度更快 • 携带更大信息
– 更大的带宽 • 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
ppt课件.
4
能
全光通讯
否
二十一世纪： internet era
控 制
全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
ppt课件.
？5
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。
ppt课件.
6
•What is photonic crystal?
周期排列的人工微结构材料
ppt课件.
7
光子晶体图示
构成材料:
半导体、绝缘体、金属材料等
单元尺寸:
毫米、微米、ppt亚课件微. 米
8
《科学》1998 Best bets 衰老、对付生化武器、光子晶体、
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p齐pt课的件.次微米结构，选择性反射 25 日光的结果.
green
blue brown
yellow
ppt课件.
26
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。
ppt课件.
27
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
– 更大的带宽 • 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
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二十一世纪： internet era
控 制
全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
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？5
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。
ppt课件.
6
•What is photonic crystal?
周期排列的人工微结构材料
ppt课件.
7
光子晶体图示
构成材料:
半导体、绝缘体、金属材料等
单元尺寸:
毫米、微米、ppt亚课件微. 米
8
《科学》1998 Best bets 衰老、对付生化武器、光子晶体、
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p齐pt课的件.次微米结构，选择性反射 25 日光的结果.
green
blue brown
yellow
ppt课件.
26
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。
ppt课件.
27
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
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Electronic
Photonic
22V(r)(r)E(r) (1r) H (r)w2H (r)
E ~ k2
Sca la(rr)
E~k
VecE to ,Hr
Fermion, s =1/2
Boson, s =1
e-e: strong
杂质态 • IC
价带
• Semiconductor laser • ...
我们能否控制光子的流动？
电子能带
单原子势场
原子势场的周期排列
能级
E
k 能带
Electronic band structures
Si
Eg
Eg
Ge
L [111] G [100] X L [111] G [100] X
传统的操控光的流动
Inverse opal
J.E.G.J. Wijnhoven and W.L. Vos, Science 281, 802 (2019)
Ordered microporous materials from rod-coil block copolymer
S. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (2019)
Photonic crystals in nature
Sea mouse
Photonic crystals in nature
green blue
brown yellow
二维光子晶体
二维光子晶体
三维光子晶体
Lincoln log structure
Photonic crystals vs semiconductors
Smallest three-dimensional photonic crystal yet fabricated excludes light in the wavelength range around 1.5 mm.
Shawn Lin et al., Optics Letters, 1 January, 2019
2、简述热电制冷器工作原理（以一对热 电偶为例作图分析）
3、简述光伏电池的基本工作原理和太阳 能电池的两个主要物理过程。
w photon
(w)
Ground state
w
Fermi golden rules
dW fi 2 p f H ˆi 2(w)
Spontaneous emission: modification
w
(w)
(w)
(w)
w
Natural
w
Inhibited
w
Enhanced
No zero-point fluctuation
Light Sneaks through Small Holes
J. A. Porto, et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (2019)
修饰发射特性：红外隐身
发 射 率
光子晶体 热辐射材料
黑体辐射
实际材料
有光子晶体
频率
Photonic Molecule
Photons confined within the photonic molecule are restricted to a set of discrete energies, like electrons in a real molecule
X-射线激光
微波吸收？
红外吸收？
光波导
微腔
Microcavity
Photonic crystal microcavity
Grating-like microcavity Cylindrical cavity
新型光子晶体激光器
世界上最小的激光器
Defect region
a = 515 nm r = 180 nm
微波与 红外
可见光
Ag
glass
红外反射光谱
平均 反射 率
95%
Reflectivity
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90 500
1000 1500 2000 2500 3000
Wavenumber(cm-1)
可见光透射光谱
T ra n s m is s io n
0.5
0.4
黄
色
0.3
0 .0
1 .0
n=2
0 .5
0 .0
1 .0
n=3
0 .5
0 .0
1 .0
n=4
0 .5
0 .0 0 .3 0 0 .3 5 0 .4 0 0 .4 5 0 .5 0 0 .5 5
F re q u e n c y (w a /2 p c )
(AB)m (CD)n (AB)m 能 带 结 构
透明金属
目前 探索集成光路
21世纪 光子技术革命
迅速成为国际学术界的研究热点
93年起，研究论文每年增长 > 70%
《科学》2019 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
《科学》2019 Runners-up
国际上激烈竞争
DARPA 重组天线计划
美
可调光子晶体计划
Sonic bandgap material
J.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (2019).
波晶体
波
波能带
周
期
性
波禁带
电磁波、声波、水波、 地震波 …...
测验题
1、简述光子晶体的概念、特性和应用并 与半导体进行相关的对比。
带
红 色
0.2
带
0.1
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800
W avelength (nm )
Left handed materials
E
E
S=EH k
S=EH
H k
B=mH m>0
B=mH m<0
Right handed materials
Left handed materials
M. Bayer, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2582 (2019)
光子晶体偏振器
频率
光 子能 带 结构
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
TM
TE
光子晶体量子阱：多通道滤波器
is s io n
T ra n s m
PBG
1 .0
n=1
0 .5
Active region: InGaAsP
O.Painter et al., Science 284, 1819 (2019).
光限制器、光开关
n1
ห้องสมุดไป่ตู้
n2
透 射 率
光子带隙
M. Scalora et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1368 (1994).
机理 微结构设计 材料制备 原型器件
均匀介质
光子晶体 Photonic band structure DOS
w
k
w
0
k space
0
光子能带的起源
w
0 0
k
p/d
d
• Bragg 散射 • Mie 共振
Photonic crystals in nature
Photonic crystals in nature
Weevil 象鼻虫
v c
m
传播条件
m<0,<0
自然界没有！
新现象
• 反常的多谱勒效应 • 反常的轫致辐射 • 反常的反射 • 反常辐射光压
Inverse Doppler effect
反常折射现象
一维光子晶体
二维光子晶体
二维光子晶体
三维微波光子晶体
Lincoln Log-like structure
光通讯
上载/下载频道滤波器
Super prism
Conventinal prism
PBG prism
小尺寸、大波长
Crystal of capacitors. Four layers of the structure form one period of the diamond lattice (from Phys. Rev. Lett. 80, 2829).
3、材料的制备
尚无独特的方法
4、新型器件的开发
半导体： 大规模应用 光子晶体：研发阶段
宽带全向全反射器
核爆 射线探测器
假目标？
Photonic crystal
光子晶体天线
Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)
一维全方位反射镜
Y. Fink, et al., Science 282, 1679 (2019)
光子晶体及其应用
内容
光子晶体简介 光子晶体的特性 光子晶体的应用 光子晶体的制作
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、水泥 …
更深层次
电学特性：金属、半导体 … 磁学特性
光学性质
半导体
导带
操控电子的流动
禁带
日
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 欧