光子晶体及其应用ppt课件
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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
早已存在拥有这种性质的物质。
ppt课件.
23
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；p换pt课言件之. ，是光能隙在玩变色把戏。 24
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ尺度 原子尺度
电磁波波长
声波波长
波
德布罗意波(电子)
电磁波(光子)
机械波(声波)
偏振 自旋，
横波
横波与纵波的耦合
波动方程 薛定谔方程
麦克斯韦方程
弹性波波动方程
特征
电子禁带，缺陷态，表面 态
光表pp子面t课禁态件.带，局域模式，
声表子面禁态带，局域模22式，
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
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、
• 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
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
光子晶体
ppt课件.
1
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
ppt课件.
2
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
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光子比电子的优点
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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
吸热池、哮喘治pp疗t课件、. 全球气候走向
9
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)。
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20
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
光子
麦克斯韦（Maxwell）方程
矢量波
自旋为1的玻色子
没有
ppt课件.
电子
薛定谔方程
标量波 自旋为1/2的费米子 很强
21
性质 结构
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
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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。
19
• 薛定谔方程的解依赖于作用势 无作用势 → 平面波函数 → 能级连续 库伦势 → 氢原子波函数 → 能级分立 固体中周期势 → 布洛赫波函数 → 能带
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？
电子晶体 结晶体(自然或生长的)
光子晶体
由两种(或以上)介电材 料构成的周期性结构
声子晶体
由两种(或以上)弹性材 料构成的周期性结构
调控对象 电子的输运行为 费米子
电磁波的传播 玻色子
机械波的传播 玻色子
参量
普适常数 原子数
各组元的介电常数
各组元的质量密度， 声波波度
晶格常数 1-5Å
1m-1cm
1mm-1m
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光子和电子都是波粒二象性的
光子 先认识波动性 后认识粒子性 描写 麦克斯韦方程
电子 先认识粒子性 后认识波动性
描写 薛定谔方程
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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
早已存在拥有这种性质的物质。
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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；p换pt课言件之. ，是光能隙在玩变色把戏。 24
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ尺度 原子尺度
电磁波波长
声波波长
波
德布罗意波(电子)
电磁波(光子)
机械波(声波)
偏振 自旋，
横波
横波与纵波的耦合
波动方程 薛定谔方程
麦克斯韦方程
弹性波波动方程
特征
电子禁带，缺陷态，表面 态
光表pp子面t课禁态件.带，局域模式，
声表子面禁态带，局域模22式，
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
微结构材料，其最根本的特征是具有光子禁带。
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6
•What is photonic crystal?
周期排列的人工微结构材料
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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、
• 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
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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
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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
ppt课件.
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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
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
–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
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光子比电子的优点
ppt课件.
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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
吸热池、哮喘治pp疗t课件、. 全球气候走向
9
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)。
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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
光子
麦克斯韦（Maxwell）方程
矢量波
自旋为1的玻色子
没有
ppt课件.
电子
薛定谔方程
标量波 自旋为1/2的费米子 很强
21
性质 结构
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
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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。
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• 薛定谔方程的解依赖于作用势 无作用势 → 平面波函数 → 能级连续 库伦势 → 氢原子波函数 → 能级分立 固体中周期势 → 布洛赫波函数 → 能带
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？
电子晶体 结晶体(自然或生长的)
光子晶体
由两种(或以上)介电材 料构成的周期性结构
声子晶体
由两种(或以上)弹性材 料构成的周期性结构
调控对象 电子的输运行为 费米子
电磁波的传播 玻色子
机械波的传播 玻色子
参量
普适常数 原子数
各组元的介电常数
各组元的质量密度， 声波波度
晶格常数 1-5Å
1m-1cm
1mm-1m
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光子和电子都是波粒二象性的
光子 先认识波动性 后认识粒子性 描写 麦克斯韦方程
电子 先认识粒子性 后认识波动性
描写 薛定谔方程
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