光子晶体的研究进展

光子晶体的研究进展

1光子晶体结构的光子器件机制研究光绪年间，由于折射波的体积和带状结构的变化，也被称为光绪性经济实体。目前,光子晶体的理论研究已取得较全面的进展,制备研究也不断进步,许多光子晶体的制作方法被相继提出,例如微球自组织法、双光子聚合法、半导体微制作法和激光全息术法等。近来,光子晶体结构的光子器件机制研究也受到了广泛关注。其中激光全息术法因其显著的优点被认为是制备光子晶体的很有前途的方法之一。2光子晶体的制作激光全息术制作光子晶体模板有很多优点,例如可以通过对各激光束的振幅、初相位、偏振态、波矢方向等参数灵活调节,制作具有各种对称性的光子晶体,如布拉格格子、准晶结构及各种各样的复式格子等。另外,激光全息术还有制作速度快,制作面积大、精度高,结构占空比可控等优点。2.1从激光全息术偏振控制走向激光新结构设计2000年,英国牛津大学首先用激光全息术-光聚集方法制作出面心光子晶体中山大学则从解决激光全息术偏振问题入手,使激光全息术的偏振调节不再盲目,并用连续氩离子激光,使调节和制作更方便,并在提出新结构后先进行计算机模拟优化出最佳光路和偏振后再进行制作,所以制作出较多类型的新结构2.2激光偏振的作用激光全息术形成的光学晶格的晶体结构和晶格常数取决于激光束的波矢配置,而在干涉条纹的强度分布、对比度等方面,激光的偏振起着关键作用。起初激光全息术是随意调节各光束的偏振,一旦观察到较好的干涉条纹就进行制作,对复杂光路,此法不但效率低,而且无法得到最佳值。现在通过从理论入手直接计算出各光束偏振取向的最佳值,然后得出了激光全息多束激光的偏振态的最佳组合2.3利用光学晶圆机设计出微结构激光全息术可以由多束激光产生的光学晶格使光聚集材料产生化学反应制作出微结构。也可以利用光学晶格中不同光强对物质作用力不同的原理,对某些半透材料通过光吸收软化和激光束作用力相结合实现微结构制作。光全息光塑2.4光全息术法理想的三维完全带隙的典型结构是金刚石结构和准晶结构,而其大面积的制作方法只有光全息术方法。金刚石结构的三维光子晶体是人们期待的最理想的三维完全带隙光子晶体;而金刚石结构中每两个最靠近的“原子”连在一起且未分开称为类金刚石结构。一次曝光法可以制作这种类金刚石结构2.5光子晶体结构的种类复式结构光子晶体有很多理想的性质,它开辟了对光子晶体性质进行设计的新思路。金刚石结构可看成面心结构的复式结构,是有理想带隙的三维光子晶体结构。单一结构光子晶体的带隙特性已被较广泛研究,复式结构则带来新的性质和机制。理论上首次提出激光全息术是复式结构的理想制作方法并展示了一些复式结构的激光全息制作光路和对应的复式结构光学晶格(包括两次曝光法另外,激光全息制作的结构可用群论给出其全部结构,即结晶学,文献[11]给出了非共面三束光干涉形成的二维光子晶体结晶学2.6单次曝光激光全流程结构作为独立于传统晶体学分类之外的准晶结构,激光全息术制作准周期结构因具有众多独特的性质而倍受关注,王霞等2.7含周期缺陷光场的形成利用激光的时间相干性实现了多套干涉光场的非相干叠加,恰当选取其干涉图案、周期、对称性取向和相对强度,即可形成正弦调制的含周期性缺陷的光场2.8从激光全息制作光子晶体的研究过程中看1994~1995年,北京物理所就开展过激光全息研究,并在水面用光场作用使小球有序排列,同时在计算光学晶格方面做出了很好的结果。近年激光全息制作光子晶体的研究发展很快,参研的单位很多,包括中山大学在内的很多单位作出了出色的成果:香港科大两个小组分别作出很多高水平结果;武汉大学2005年以来高水平结果接连不断;山东大学的理论研究非常出色;北师大从很早前的体全息发展而来已有很多成果;厦门大学的激光全息术-光聚集方法制作也起步很早并有应用结果。这些研究小组都具备了自己的特色和正在继续发展。3光子晶体天线光子晶体器件机制研究是目前倍受关注的研究方向,器件种类非常多,包括早期研究的光子晶体光波导,光子晶体天线,光开关和波分复用等。研究最广泛的是提高发光二极管的效率及激光光束质量。下面举例介绍利用几种不同光子晶体性质(杂质性质、相位性质、吸收性质、微腔模性质、自准直性质和异质结性质等)来研究产生的不同器件,每一特性或结合多种特性可发展各种各样的全新光子晶体器件。3.1光子晶体的te和tm模的染色通常的薄膜滤波器,滤波频率会随入射角度的变化而变化,即存在角度色散。一维光子晶体的TE、TM模的色散变化情况不同。据此机制(即结合角度色散和频率色散的特点)可设计出一种一维光子晶体异质结结构,实现在频率域和空间角度双功能滤波3.2容易集成的频率利用光子晶体禁带的高反射特性及其相位特点,用二维光子晶体设计了易于集成且在光子晶体禁带内存在的相当宽的频率范围(如光通信整个工作波段内);不管什么波长的光入射,单一波片能成为任意对应波长的波片3.3金属介质晶体的增强根据隧穿慢光速等多种金属介质光子晶体特性,设计了一类一维金属介质光子晶体;它可按不同用途实现宽带或窄带高效率吸收,并实现宽入射角范围内的高效率吸收3.4展及其他应用和器件光子晶体微腔有很多特性能导致很多方向的发展及产生很多种类的应用和器件。光子晶体高散射闭合微腔是其中一种。实验研究表明高散射随机激光工作物质的光子晶体封闭腔有增强模3.5采用自适应硅氮量化设计方向和分束器利用光子晶体自准直现象并结合光子晶体波前重构理论,提出了一种表面修饰方法来制作光子晶体方向发射器和各种光分束器的方案3.6高灵敏度光子晶体全光开关利用三缺陷的一维光子晶体并结合一短波通结构形成异质结结构,在靠近短波通一侧的缺陷层内引入非线性材料,可以制作很高灵敏度的光子晶体全光开关。理论计算显示:所需的杂质层折射率改变小于104含特异性材料的光子晶体检测近年,光子晶体的理论研究已不再停留在带隙等基本特性上,有的与特异材料研究相结合进行研究,有的与量子光学相结合,有的与孤子涡漩等研究结合。作为例子,这里简单介绍一些含特异材料的光子晶体相关的研究结果。含特异材料一维光子晶体内存在完全带隙单负材料构成的一维光子晶体中存在孪生缺陷模与含负折射率材料的一维光子晶体中的缺陷模的角度色散特性有关的研究正负折射交替一维光子晶体有一种可变杂质模:正负折射交替一维光子晶体设计为一定结构时。会出现杂质折射率有一阈值,大于阈值其变化可调杂质透射光的传输角度,小于阈值可调杂质透射光的强度5光子晶体