光子晶体禁带特性
光子晶体中的光子禁带与传输特性
光子晶体中的光子禁带与传输特性光子晶体是一种具有周期性结构的材料，通过调控其结构可以有效地控制光的传输和操控。
其中一个重要的特性就是光子禁带，它在光子晶体中起到了关键的作用。
一、光子禁带的概念和原理光子禁带是指在光子晶体中存在一个频率范围，在这个范围内光的传播是被禁止的。
这意味着光子晶体能够对特定的波长光进行选择性的反射或吸收，同时允许其他波长的光通过。
这种禁带效应是由于光子晶体的周期性结构导致的。
光子晶体的周期性结构可以被理解为一系列的光子波导，它们之间的相位差会产生干涉效应。
当干涉效应导致波的幅值彼此相消时，禁带就形成了。
通俗地说，可以将光子禁带类比为一个光的“高速公路”，只有特定的车辆（特定波长的光）能够通过，其他车辆则被拦截。
二、光子禁带的应用1. 光子晶体光纤光子禁带的应用之一就是光子晶体光纤。
光纤是一种用于光信号传输的高效率导光介质，而光子晶体光纤在此基础上进一步实现了对光波在特定频率范围内的引导和控制。
通过光子晶体光纤，可以实现光信号的高速传输和低损耗，同时具备了较宽的传输带宽。
这使得光子晶体光纤在通信领域有着广阔的应用前景。
2. 光子晶体光子器件光子禁带还可以被用于设计和实现各种光子器件。
光子晶体中的禁带产生的光子态密度变化可以导致光的散射、反射和单向传输等效应。
通过调控光子晶体的结构，可以实现各种功能性器件，比如光子晶体滤波器、光子晶体光调制器等。
这些器件在光通信、激光器设计、光子计算等领域发挥着重要作用。
三、光子晶体中的光子传输特性光子禁带不仅影响着光子在光子晶体中的传输，还对其传输特性产生了重要的影响。
1. 禁带宽度和传输带宽光子晶体的禁带宽度决定了能通过的波长范围，而在禁带宽度之外的波长则被禁止传输。
禁带宽度的大小取决于光子晶体的周期性结构和材料参数，可通过调节这些参数来实现对禁带宽度的控制。
传输带宽则是指光子晶体中能够通过的波长范围，它取决于禁带宽度和其他非完美性质（如材料吸收和散射）的影响。
光子晶体禁带特性
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 串联的光子晶体
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。
缺陷层光学厚度对光子禁带的影响 改变h3
h3
缺陷模随h3增大而向长波方缺陷模从出现到消失，
逐
发生在某一段波长范围之内，缺陷模有一个存在
渐
范围。
变
厚
通过改变缺陷层光学厚度n3h3， 可以使禁带中同时存在两个缺陷 模，这说明不需要引入多个缺陷 层，可以通过改变缺陷层的参数 使禁带中出现多个缺陷模。
引入单层缺陷后的一维光子晶体可以近似看作谐振腔，根据谐振腔的理论可知，谐振模的 波长(对应缺陷模波长)与中间介质(对应缺陷层)的光学厚度成正比关系。
光子晶体禁带特性
替
代 型
ab
c
单层缺陷c替代b层
a层折射率大于b层折射率 na=2.28，nb=1.28，nc=1.7 N=15，中心波长600nm， na.ha=nb.hb=中心波长/4, nc.hc=中心波长/6。
无缺陷 含单层缺陷
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？
N’=2
随着缺陷层c逐渐从左向右移动，缺陷模呈现 出“从无到有再到无，从小到大再到小”的规 律。
N’=5
N’=7 N’=9
解释:不同位置的缺陷层对一维光子晶体周期性结构完整性的破坏程度不同，在中间位置的缺陷层对光 子晶体的结构完整性破坏最大，因而产生的缺陷模最大。那些稍偏的位置对光子晶体完整性破坏比较 小，有的位置基本没有影响，甚至不会出现缺陷模。综上所述，当N’取值为位于一维光子晶体中间位 置时，缺陷模最大;反之，当N’取值为位于两端位置时，缺陷模比较小，甚至不存在缺陷模。另外，无 论N‘怎样取值，基本不影响缺陷模的位置和禁带宽度。
光子晶体及其特征[概述]
![光子晶体及其特征[概述]](https://img.taocdn.com/s3/m/357142647ed5360cba1aa8114431b90d6c8589b7.png)
光子晶体及其特性王娟娟摘要: 光子晶体是一种介电常数不同的、 其空间呈周期分布的新型光学材料。
通过深入研究,达到进一步了解光子晶体的原理、 特性、 制备方法以及应用之目的。
关键词: 光子晶体 光子禁带 光子局域 Purce ll 效应1.引言20世纪，半导体的发现并应用引发了一场影响开半导体材料，半导体内部存在周期性势场 电子受到周期性势场的调制发生布拉格散射形成能带结构，而带与带之间可能存在禁带，落入禁带中的电子则无法继续传播。
1987 年 E. Yablonovich 和 S. John 分别提出了光子晶体的概念[1-2]光子晶体是由不同介电常数的物质在空间周期性排列而形成的人工微结构，当电磁波通过光子晶体时 光子晶体中周期性排布的介电常数会对电磁波进行调制，从而产生光子能带能带之间可能存在禁带 与半导体对比可以发现在光子晶体中，周期性分布的介电常数起到了半导体中周期性势场的作用，同时与电子禁带相对应的也有光子禁带的存在，因此有人又把光子晶体称为光半导体 光子晶体可以用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光子晶体波导等[3-6]在光通信，光电集成等方面具有极其广阔的应用前景。
2.光子晶体 光子晶体按照其周期性排列方式可分为一维、二维和三维光子晶体，它们的介电常数分别在一维、二维和三维空间上周期性排列，其中一维光子晶体就是常见的多层膜结构，二维光子晶体是周期性排列的介质柱或空气孔，三维光子晶体中介电常数则在3个方向具有周期性 在实际应用中，二维光子晶体有着更广泛的前景更受到人们的重视光子晶体具有高低折射率材料交替排列的周期性结构 可以对相应频率的电磁波进行调制产生光子禁带[7-8]，如果在3个方向上都存在周期结构，可以产生全方位的光子禁带，在全方位光子禁带中与该禁带频率相对应的电磁波将被完全禁止传播光子禁带是光子晶体的主要特性，光子晶体的另一个特性是光子局域 若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷态，与之频率相对应的光子就被局域在缺陷态中，偏离缺陷态就会被强烈散射，我们可以通过在光子晶体中引入缺陷，制造缺陷态的方式来制作各种光子晶体功能器件，另外光子晶体可以抑制自发辐射 若光子禁带频率与光子晶体中原子自发辐射频率相吻合，则该频率光子的态密度为零，自发辐射被抑制，光子禁带和光子局域现象的存在为人为控制光的传播提供了可能。
双缺陷光子晶体禁带结构特性研究
3
摘要 : 用特征矩阵法研究了带有双缺陷的一维光子晶体的禁带结构特性 。由于两缺陷间存在相互作用 , 其禁带结构的性质受到两缺陷间隔光学厚度及缺陷层折射率的影响 。定义了描述两缺陷间相互作用强 弱的关联系数 ,进而分析了关联系数与两缺陷层间相隔光学厚度及缺陷层折射率的关系 。通过数值计 算和计算机模拟 ,确定了光子晶体结构的特征间隔光学厚度 。 关键词 : 双缺陷一维光子晶体 ; 关联系数 ; 特征间隔光学厚度 中图分类号 :O483 文献标识码 :A 文章编号 :100520086 ( 2006) 1221497205
图3 两缺陷间隔光学厚度与两缺陷 模式关联系数的关系曲线
Fig. 3 The relation bet ween the optical thickness bet ween t wo fla w and correlative coeff icient
函数的重迭较多 ,带隙结构中的 2 个缺陷模式则会发 生分裂 ,并且分裂的程度与两缺陷层间隔光学厚度近 似成反比例关系 。定义此两缺陷层间隔光学厚度的 临界值为光子晶体结构对应的特征间隔光学厚度 。 不同光子晶体结构所对应特征间隔光学厚度的具体
( 2) ( 3)
2 结果与分析
在计算中取周期数 N = 14 , 介质 A 、 B 和 C 的折 射 率 和 厚 度 分 别 取 为 na = 1 . 45 、 nb = 2 . 60 和 nc = 1 . 80 , a = 266 . 897 nm , b = 115 . 385 nm , c = 333 . 333 nm 。设光是从空气中射入光子晶体的 ,即ε 0 =ε l = 1, μ θ= 0 =μ l = 1 。为方便讨论和计算 , 设光垂直入射 (
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。
光子晶体的禁带特征及传输特性研究
上海大学硕士学位论文图３．２一维三层介质光予晶体禁带结构幽ｓｔｍｃｔｌｌｒｅｏｆａｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｈｒｅｅ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌＦｉｇ３２ＢａｊｌｄｇａｐⅣ＝４００，玎Ｈ＝３．２３，＂Ｍ＝２．５８，＂Ｌ＝１．３５－ｄⅣ＝ｄ吖＝ｄ＾＝１．５２ｐ卯对于由四层及更多层数介质组成基本周期的一维光子晶体结构，介质层的不同排列顺序对光子禁带则会产生影响，以一维四层介质光子晶体为例，仍然选取上述三种介质，再加上一层高折射率介质碲化铅（ｎ＝４．１）形成一维四层介质光子晶体，与上面计算相同，对于一维四层介质光子晶体（２．２２）式表示为：÷（卅ｌｌ＋聊２２）＝ｃｏｓ（２册？ｌｄｌ／丑）ｃｏｓ（２册Ｔ２ｄ２／旯）ｃｏｓ（２万Ｍ３ｄ３／丑）ｃｏｓ（２翮４ｄ４／五）Ｚ一妻（！Ｌ＋竺王）ｓｉｎ（２册１ｄＩ，＾）ｓｉｎ（２翮２ｄ２／＾）ｃｏｓ（２翮３ｄ３／丑）ｃｏｓ（２肋４ｄ４／Ａ）￡丌２一一昙（竺王＋！王）ｓｉｎ（２翮３ｄ３／＾）ｓｉｎ（２翮２ｄ２／五）ｃｏｓ（２ＭｌｄＩ／＾）ｃｏｓ（２砌４ｄ４／五）￡“２“３一妻（兰王＋！Ｌ）ｓｉｎ（２翮．“，／兄）ｓｉｎ（２册３ｄ３／五）ｃｏｓ（２翮２ｄ２／且）ｃｏｓ（２翮。
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光子晶体的结构和光学特性
光子晶体的结构和光学特性光子晶体，又称为光子带隙材料，是指具有周期性的折射率分布的材料，能够通过控制光子的行为，实现对光的操作和调控。
它的折射率分布几乎彻底地阻止了某些波长的光在材料内的传播。
光子晶体的特殊结构使得它具有独特的光学特性。
首先，光子晶体可以形成光子带隙。
光子带隙是指光子不能通过的频率范围，这就像晶体带隙，阻止电子通过一般，光子带隙也阻止了某些频率的光子通过光子晶体。
其次，光子晶体的禁带宽度取决于材料的周期和折射率差异，可以通过改变材料的周期和折射率等参数来控制光子带隙的宽度和位置。
最后，光子晶体的光学特性还包括正常衍射和负常衍射，以及光子晶体的非线性光学行为等。
光子晶体的结构主要有两种：一是一维光子晶体，它由多层纵向分布的周期性结构组成，其周期和布拉格衍射中的禁带的宽度和位置密切相关；二是三维光子晶体，它是一种由周期性排列的孔洞或球体组成的晶体材料，与一般的立体晶体类似。
与一维光子晶体不同的是，三维光子晶体拥有三个中等禁带和两个大禁带，同时，它可以产生不同的光子能带和非线性光学性质。
光子晶体在实际工业应用中具有广泛的用途。
例如，光子晶体可以作为光学传感器，可以测量物质的折射率变化；它可以用来增强光子定向发射，从而提高光通信的速度；还可以应用于太阳能电池、LED灯、激光器等光电器件的优化设计中，以提高能量转化效率。
除此之外，光子晶体还可以应用于微纳光学器件、光子晶体慢光器、光子晶体超透镜和光子晶体光波导等，这些器件具有极高的性能，有助于提升光学器件的性能和效率。
在未来，随着科技的不断发展和进步，光子晶体的应用将会更加广泛和重要。
人们正在研究和探索光子晶体的新领域和新应用，如光子晶体传感、光子晶体数据传输信道、光子晶体太阳能电池等，这些领域具有广阔的前景和多样的应用需求。
总而言之，光子晶体是一种具有独特结构和光学特性的新型材料，在光电子学、新材料、信息技术等领域中拥有广泛应用前景和巨大的发展潜力。
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。
平板光子晶体的禁带特性分析
平板光子晶体能带结构
图 ３为 图 １种 两 类 典 型 平 板 光 子 晶 体 的 能带 图 。平板 光子 晶体 能 带 图 的最 重要 的特 征 ， 也是 它
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区别 于 普 通 光 子 晶 体 的基 本 元 素 ， 是 光 锥 （ｉｈ 就 １ ｔ ｇ ｅｎ） ｏｅ。在光 锥 内 即在 图 中光 锥线 以上 的部 分 的一 些连续 态 ， 它是 一个包 含背 景 中所 有可 能频 率（ 泄漏
晶体的能带结构 ， 然后具体分 析各个参数对其的影 响。
气） 中高。当导带到达光锥边缘时 ， 微小的扰动就能 使之耦合到背景中去 ， 虽然幅度很小但不再被限制 在平板 内。术语 “ 导模 ” 我们 的讨 论 和使 用 中 ， 在 指
的是真 正 的局 域态 ， 当离 平 板 的距 离 变 大时 它 会 变
图 １ 两种典型结构的光子晶体薄板
我们称这种系统为平板 “ 光子 晶体” 的原因是 ， 同二维光子 晶体一样 ， 它们有带隙—但不是传统的 那种 ， 平板光子晶体 的“ 隙” 带 是指一个频率范围中
没有 导模 存在 。它 不 是 一个 真 正 意 义上 的带 隙 ， 因
为在这些频率 中有辐射模存在。尽 管如此 ， 导模禁 带引起许多发生在二维光子晶体 中的同样的现象 。
作者简介 ： 谢东华 （９ １ ， ， １８ 一）女 河南 省周 １市 人 ， ２ Ｉ 西安 邮电学院 电子与信息工程系助教。
维普资讯
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１０ ・ ４
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电 学
院
学 报
２０ ０８年 ５月
比如 限制光 在平面 内传 播 的光 波 导 和谐 振 腔 （ 隙 带
金属光子晶体禁带研究
金属光子晶体禁带研究引言在科学研究领域，金属光子晶体禁带是一种受到广泛关注的现象。
本文将深入探讨金属光子晶体禁带的相关研究，包括定义、性质、制备方法以及应用前景。
金属光子晶体禁带的定义金属光子晶体是一种由周期性的金属纳米结构构成的材料，它的特点是在特定的频率范围内禁止光的传播，形成禁带。
禁带是光子晶体特有的性质，类似于电子在晶体中的禁带结构。
金属光子晶体禁带的性质1.宽度可调性：金属光子晶体禁带的宽度可以通过调整晶体结构和金属纳米颗粒的尺寸来控制。
这使得金属光子晶体在不同的光学应用中具有更大的灵活性。
2.光子局域效应：金属光子晶体中的光子常常被限制在金属纳米颗粒之间的空隙中。
这种局域效应可以增强光与物质的相互作用，从而有望在传感、光电器件等领域发挥重要作用。
3.高反射率：金属光子晶体可以具有高反射率的特性，使其在光学镜片、反射片等领域有着广泛的应用前景。
金属光子晶体禁带的制备方法制备金属光子晶体禁带的方法多种多样，下面列举了几种主要的方法： 1. 模板法：通过使用二维或三维的模板来引导金属纳米颗粒的自组装，从而形成具有周期结构的金属光子晶体。
2. 溶液法：将金属溶液与某种添加剂混合，通过控制溶液中金属纳米颗粒的自聚集过程，可以制备金属光子晶体。
3. 电化学成长法：通过在电极上进行控制电位和电流密度的操作，可以在电极表面逐渐沉积金属纳米颗粒，从而实现金属光子晶体的制备。
金属光子晶体禁带的应用前景金属光子晶体作为一种新型材料，在多个领域具有广阔的应用前景，包括但不限于以下几个方面： 1. 传感技术：金属光子晶体禁带的宽度随环境的变化而变化，可以利用这一特性制备高灵敏度的传感器，广泛应用于化学传感、环境监测等领域。
2. 光电器件：金属光子晶体具有高反射率和光子局域效应的特性，可用于制备高效率、高亮度的光源和显示器件。
3. 光催化：金属光子晶体对光的吸收和反射特性使其在光催化反应中具有优势，可用于水分解、有机物降解等领域。
光子晶体简介
光子晶体:光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。
简介：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。
光子晶体即光子禁带材料，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。
与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。
能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。
所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。
光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。
光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
（应用）简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。
背景：微波波段的带隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。
光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。
国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。
（研究现状）光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。
所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。
这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。
光子晶体与光波导
光子晶体与光波导光子晶体与光波导是光子学领域中两个关键概念，它们在光学器件的设计与应用中具有重要作用。
光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，它通过光子之间的布拉格散射来调控光的传播。
而光波导则是一种用于在光学器件中引导光传播的结构。
一、光子晶体光子晶体是一种周期性变化折射率的材料，其结构类似于晶体学中的晶格。
它通过周期性的折射率分布，在特定的频率范围内形成禁带（光子禁带），使禁带内的光无法传播。
而禁带之外的光则可以在光子晶体中传播。
光子晶体可以根据其周期性分布的不同，分为一维、二维和三维光子晶体。
1. 一维光子晶体一维光子晶体是最简单的光子晶体结构。
它具有周期性的折射率变化，常见的例子是光纤光栅。
一维光子晶体通过周期性的折射率变化，可以在特定的频率范围内抑制光的传播，形成光子禁带。
这使得一维光子晶体在光滤波、光调制和光传感等领域中得到广泛应用。
2. 二维光子晶体二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球形结构组成的。
它的周期性分布使得特定频率的光无法传播，形成二维光子禁带。
二维光子晶体可以通过调控结构尺寸和材料折射率来改变光子禁带的频率范围。
二维光子晶体在激光器、光波导和光传感器等领域中有着重要的应用。
3. 三维光子晶体三维光子晶体是一种具有立体结构的光子晶体，可以在三个空间方向上调控光的传播。
它通过周期性的结构分布，形成三维光子禁带，具有非常广阔的应用前景。
三维光子晶体在光学传感、激光器、全息成像等领域中发挥着重要的作用。
二、光波导光波导是一种用于引导光传播的结构。
它可以将光能量从一个地方传输到另一个地方，实现光的灵活控制和调制。
常见的光波导结构包括平板波导、光纤波导和光子晶体波导。
1. 平板波导平板波导是一种将光能限制在一个平面内传播的波导结构。
它通常由两个具有不同折射率的材料层组成，利用折射率的差异来引导光传播。
平板波导广泛应用于光通信和光集成电路等领域。
2. 光纤波导光纤波导是一种利用光纤结构传输光能的波导结构。
可调谐一维三元磁化等离子体光子晶体禁带特性研究
2 0 1 2 年 6 月Nuclear Fusion and Plasma PhysicsJune 2012文章编号：0254-6086(2012)02-0133-07可调谐一维三元磁化等离子体光子晶体禁带特性研究章海锋 1, 2，郑建平 2，朱荣军 2(1. 南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 210016；2. 中国人民解放军南京炮兵学院，南京 211132)摘 要：在理想条件下，为了研究等离子体参数、填充率、入射角度和介质层相对介电常数对一维三元磁化 等离子体光子晶体的禁带特性的影响，用由传输矩阵法计算得到的 TE 波任意角度入射时的左旋极化波(LCP)和右 旋极化波(RCP)的透射系数来研究其禁带特性。
结果表明，仅增加等离子体碰撞频率不能实现禁带宽度的拓展， 改变等离子体频率、填充率和介质层的相对介电常数能实现对禁带宽度和数目的调谐。
改变等离子体回旋频率能 实现对右旋极化波的禁带的调谐，但对左旋极化波的禁带几乎无影响。
入射角度的增大使得禁带低频区域带宽变 大，而高频区域带宽则是将先减小再增大。
关键词：光子晶体；磁化等离子体；传输矩阵法；禁带 中图分类号：O431.1文献标识码：A光子晶体的概念于 2004 年由 Hojo [9]等人提出。
等 离子体不仅仅是种色散介质，在外加磁场后等离子 体还表现为各向异性。
这使得磁化等离子体光子较 非磁化等离子体光子晶体有了些新的特性，并且在 调谐滤波上还多了一个自由度。
刘少斌[10~13]和章海 锋[14, 15]等人用时域有限差分方法对一维磁化等离 子体的缺陷模、禁带和周期特性进行了研究，并且 考虑了磁化等离子体层的非均匀分布、弛豫时间和 温度对其禁带特性的影响。
研究结果表明，调节外 磁场不仅可以实现对禁带周期性和缺陷模的调节 而且可以改变禁带的宽度。
亓丽梅[16]等人用传输矩 阵法对电磁波斜入射时的一维磁化等离子体光子 晶体的禁带特性进行了研究，研究结果表明在电磁 波斜入射时外加磁场同样可以很好地实现对禁带 宽度的调节。
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。
光子晶体的原理及应用
光子晶体的原理及应用概述光子晶体是一种具有周期性结构的材料，可以对光进行控制和操纵。
它类似于电子晶体，但是光子晶体的周期性结构大小与光的波长相当，因此它对光的传播和散射具有特殊的影响。
本文将介绍光子晶体的原理以及它在光电子学等领域的应用。
光子晶体的原理光子晶体的原理基于光的干涉和衍射现象。
它由周期性变化的折射率组成，这种周期性结构可以通过控制材料的特殊制备过程来实现。
光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播和流向，以及光的波长选择性。
它的原理有以下几个关键要点：•布拉格散射：光子晶体的周期性结构与光波的波长相当，因此光波在晶格中会发生布拉格散射。
这种散射是由晶格的周期性结构引起的，使得光波沿特定方向传播，并且只允许特定的频率通过。
这种特性使得光子晶体可以用来制作光的滤波器和反射镜等光学元件。
•光子禁带：光子晶体中的周期性结构会导致光的禁带现象，即某些频率的光波在光子晶体中无法传播。
这是因为这些频率的光波与光子晶体的周期性结构发生干涉，导致光的能量被散射或吸收。
光子禁带可以用来制作光的隔离器和光的相位调制器等光学元件。
•衍射光栅：光子晶体的周期性结构与光波的干涉现象导致衍射光栅的形成。
衍射光栅可以通过改变光子晶体的周期性结构来控制光的传播方向和强度。
这种控制性质使得光子晶体可以用于制作光的衍射光栅和光的波导等光学元件。
光子晶体的应用光子晶体的原理使其在光电子学、光通信和光传感等领域有了广泛的应用。
以下是一些光子晶体的应用示例：•光纤通信：光子晶体可以用作光纤通信系统中的光缆保护层和光解复用器。
光子晶体的周期性结构可以用来控制光的传播方向和波长选择性，从而提高光纤通信系统的传输效率和带宽。
•光子晶体激光器：光子晶体激光器是一种基于光子晶体原理制作的激光器。
光子晶体的禁带特性可以用来增强激光器的单模特性和抑制杂散光的产生，从而提高激光器的性能和稳定性。
•光子晶体光探测器：光子晶体光探测器是一种基于光子晶体原理制作的光探测器。
光子晶体中的光学禁带特性研究
光子晶体中的光学禁带特性研究在当代光学领域中，光子晶体是一种受到广泛关注的研究对象。
光子晶体是由周期性介质构成的结构，它能够通过控制光的传播方式来实现光波的完全隔离或引导。
光子晶体中最重要的特性之一就是光学禁带，也被称为光子禁带或者光学带隙。
光学禁带可以被视为一种光波传播的障碍，类似于电子在晶体中遇到的能带。
这种禁带可以让特定频率的光波无法传播，从而实现光的隔离和选择性过滤。
光子晶体的光学禁带特性是由其周期性结构所决定的，而该结构的周期通常与入射光波的波长相当。
光学禁带的研究对于光子晶体的应用非常重要。
首先，光学禁带可以使光子晶体具有优异的光学成像能力。
当光子晶体具有宽禁带时，它能够很好地抑制散射光而实现高分辨率的成像。
这对于显微镜等光学装置的性能提升有着巨大的潜力。
其次，光学禁带使得光子晶体成为一种理想的光学传感器。
通过对入射光波的频率和入射角度进行调控，光子晶体可以实现对特定物质的高灵敏度检测。
这是因为当光子晶体的禁带与特定物质的吸收频率或折射率相匹配时，光波将被强烈吸收或散射，从而提供了精确的传感信号。
此外，光学禁带的特性也使得光子晶体成为一种有效的光学波导。
光子晶体中的禁带可以形成一种光波传播的通道，使得光能够沿着特定的方向传导。
这种波导特性可以用于光通信、光传感和光纤等领域，为光学器件的设计和应用提供了新的可能性。
为了研究光子晶体中的光学禁带特性，科学家们采用了多种方法和技术。
其中最常用的方法之一是计算光子晶体的能带结构。
这可以通过使用传统的半经典电磁理论或现代的数值模拟方法来实现。
能带计算可以揭示光子晶体禁带的形状、宽度和频率范围等关键参数，为光子晶体的性能优化提供指导。
另外，实验方法也是研究光子晶体光学禁带特性的重要手段。
科学家们通过制备和表征光子晶体样品，可以直接观察和测量其禁带的存在和性质。
这些实验可以通过光的吸收、透射和散射等测量手段来实现。
同时，光子晶体的制备方法也在不断创新和发展，包括自组装、光刻、微影和离子束刻蚀等技术。
光子晶体原理
光子晶体原理光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，它引入了光子禁带结构，类似于电子在晶体中的禁带结构。
光子晶体的独特结构使其具有许多特殊的光学性质，因此在光学领域中得到了广泛的研究和应用。
光子晶体的原理可以简单地理解为通过一系列周期性的折射率变化来控制光的传播和调制光的性质。
光子晶体的折射率分布具有空间周期性，这种周期性结构会对光的波矢进行布里渊区折叠，从而产生光子禁带，使得特定频率范围内的光无法在光子晶体中传播，这就是光子禁带结构。
光子晶体的制备方法有很多种，常见的包括自组装法、光刻法、溶胶-凝胶法等。
其中，自组装法是一种简单且经济高效的制备方法，通过控制微球颗粒的自组装形成光子晶体的周期结构。
光刻法则是利用光刻胶和光刻机进行光刻加工，制备出具有亚微米或纳米级别尺寸的光子晶体结构。
溶胶-凝胶法则是利用溶胶和凝胶相变制备光子晶体结构。
光子晶体的应用领域非常广泛，包括光学传感、光子芯片、光子集成电路、光子晶体光纤等。
光子晶体在光学传感领域中可以通过改变环境中折射率的变化来实现对光的敏感探测，具有高灵敏度和快速响应的特点。
在光子芯片和光子集成电路中，光子晶体可以用作光学波导、光开关、光调制器等器件的基底材料，实现光信号的处理和传输。
光子晶体光纤则是一种具有光子禁带结构的光纤，可以实现对特定波长范围内光的传输和控制。
光子晶体的原理和应用在光学领域中具有重要的意义。
通过对光子晶体结构和性质的研究，可以实现对光的控制和调制，为光学器件的设计和开发提供了新的思路和方法。
光子晶体的研究也促进了光子学、光电子学等领域的发展，推动了科学技术的进步。
光子晶体原理是通过周期性折射率分布来控制光的传播和调制光的性质。
光子晶体具有光子禁带结构，可以实现对特定频率范围内光的禁带传播。
光子晶体的制备方法多种多样，包括自组装法、光刻法、溶胶-凝胶法等。
光子晶体在光学传感、光子芯片、光子集成电路、光子晶体光纤等领域有着广泛的应用。
用特征矩阵法研究一维激光全息光子晶体的禁带特性
ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｔｖ ｎ ｘ ｏｆｍｅ ｕ ａ ｄ ｔ ｅ ｍｏｄｕ ａ ｉｎ ｏｆｒ ｆ ａ ｔｖ ｎ ｘ ｄｅ ｒ ａ ｅ ． ｈ ｅ ｒ ｃ ｉ ｅ ｉ ｄｅ ｄｉ ｍ ｎ ｈ ｌ ｔｏ ｅ ｒ ｃ ｉ ｅ ｉ ｄｅ ｃ ｅ ｓ ｓ
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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 701.4nm，反射率为0.53。
缺陷层所处位置对光子禁带的影响
ab
c
…
N=15
c的位置可位于N’ 1-15单元的任一位置。
n1=2.28, n2=1.28, n3=1.7, λ0=600nm, n1h1=n2h2= λ0/4
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 n3=2.8
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。
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。
替
代
ab
c
型
单层缺陷c替代b层
a层折射率大于b层折射率 na=2.28，nb=1.28，nc=1.7 N=15，中心波长600nm， na.ha=nb.hb=中心波长/4, nc.hc=中心波长/6。
无缺陷 含单层缺陷
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 光子局域 有什么样的影响？
引入单层缺陷后的一维光子晶体可以近似看作谐振腔， 根据谐振腔的理论可知，谐振模的波长(对应缺陷模波长) 与中间介质(对应缺陷层)的光学厚度成正比关系。
一维光子晶体禁带的展宽
一种特殊结构的一维光子晶体
一维光子晶体一般都具有周期性结构，并且同种材料的介质层厚度、折射 率等参数都相同，称之为普通结构一维光子晶体。
缺陷层光学厚度对光子禁带的影响
改变h3
h3
缺陷模随h3增大而向长波方缺陷模
逐
从出现到消失，发生在某一段波长 范围之内，缺陷模有一个存在范围。
渐
变
厚
通过改变缺陷层光学厚 度n3h3，可以使禁带中 同时存在两个缺陷模， 这说明不需要引入多个 缺陷层，可以通过改变 缺陷层的参数使禁带中 出现多个缺陷模。
…
Байду номын сангаас
A
B
C单元中两介质层的光学厚度均为λ0/4
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
A3,B3,C3,D3,E3
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 串联的光子晶体
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。
随着缺陷层c逐渐从左向右移动，
N’=2
缺陷模呈现出“从无到有再到无，
从小到大再到小”的规律。
N’=5
N’=7 N’=9
解释:不同位置的缺陷层对一维光子晶体周期性结构完整性的破 坏程度不同，在中间位置的缺陷层对光子晶体的结构完整性破 坏最大，因而产生的缺陷模最大。那些稍偏的位置对光子晶体 完整性破坏比较小，有的位置基本没有影响，甚至不会出现缺 陷模。综上所述，当N’取值为位于一维光子晶体中间位置时，缺 陷模最大;反之，当N’取值为位于两端位置时，缺陷模比较小， 甚至不存在缺陷模。另外，无论N‘怎样取值，基本不影响缺陷模 的位置和禁带宽度。
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