光子晶体的性质

光子晶体的性质

1光子晶体的禁带和光子晶体结构光绪单胞是一种利用微米、亚微米和其他光波长度来折射变化的介质材料。根据折射变化的周期性，可分为二维、二维和三维光绪。见图1.3。1987年，e.tabronovikch首次提出了光绪人机的概念。光绪人机被认为是电子晶体光学领域的对应材料。正如电子晶界的周期性轨迹一样，光绪性晶体的折射变化也导致一些能量的光无法传输到这些结构。这些受禁的频率范围被称为光度星。关于光子晶体的研究一开始只是在理论上,因为光波长尺度上的工艺非常困难.1991年,由E.Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子晶体后,随着各种工艺的发展,多种多样的晶体结构陆续的被制备出来,许多理论预测得到了验证.其中应用较多的三维结构是“木柴垛结构”(图3)和“蛋白石结构”(图4).光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质,例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射,等等.它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来(图5);可以使自发辐射的光只能以单波长输出;也可以使波长相差很小的光分开60°,使其色散达到普通棱镜的500倍.这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的实用价值,因而在短短十余年时间内,受到了物理、材料等领域的学者的广泛关注.可以相信,在不久的将来,光子晶体将在基础研究领域以及光通信、光计算、激光技术等诸多应用领域内起到不可替代的作用.2光子晶体的能量光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的,因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识.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.由此我们知道在离子晶体中,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.与之类似,光子晶体中是折射率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.光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料.如图1～3所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在.高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(BandGap,类似于半导体中的禁带,也可以理解为光受到了布拉格散射引起的).而周期的大小不同,导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应.也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播.因为光被禁止出现在光子晶体带隙中,所以可以预见到我们能够自由控制光的行为.例如,可以将发光层置于光子晶体之中,使其发光波长恰好落于光子晶体的禁带之中.由于这些波长的光是禁止的,因而可以抑制发光层的自发辐射.而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态,因而这些对应的波长的光就能够产生,这可以用来制备面发射的激光器.当然光子晶体还有许多的用途,我们将在应用中介绍.3光子晶体的制备光子晶体在自然界是存在的,例如用来装饰的蛋白石(Opal),还有一种深海老鼠身上的毛以及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉,它们在不同的角度反射不同波长的光.通过研究发现它们都是由大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成的.参见图6～9.因为Opal形式与后面讲到的小球密堆积完全相同,因而暂且不提.但是,这些都是粗糙的光子晶体,因为它们没有形成完全的禁带.通过Maxwell方程的求解可以发现,完全的禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填充比以及排列方式有着密切的联系.一般说来,两种材料的折射率差值越大,就越有可能形成光子禁带,当两种材料的折射率差大于2的情况,可以形成完全禁带.在自然界尚未曾发现此类的晶体.因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备.目前制作光子晶体的材料主要是无机材料,如金刚石,Si,SiO2,TiO2,GaAs,AlGaAs等,另外还有一些金属材料等.主要的思想就是人为的构造周期性的结构.在制备工艺上对于一维、二维和三维而言有许多不同.下面分别进行介绍.最先制备成功的的是三维光子晶体,但是主要工作在微波波段.在可见光部分曾经比较时兴的一种办法是类似于自然界的Opal结构,人工制备亚微米量级的小球,然后让他们密堆积起来形成周期性排列.制作光学波段的光子晶体常用的技术是胶体颗粒(如SiO2颗粒)的自组织生长.SiO2颗粒的大小一般为微米或亚微米,悬浮在液体中.由于颗粒带电,而整个体系呈电性,这些悬浮颗粒之间有短程的排斥相互作用以及长程的范德华力.自组装时先使用一种有机无机复合的材料使SiO2小球表面电荷被除去以呈现电中性.因而小球之间的作用力消失,在重力或其他外力的作用下经过一段时间,悬浮的胶体颗粒会从无序的结构相变成有序的面心立方结构而形成胶体晶体.这种方法简便而且经济.一般采用的胶体颗粒是聚合物等,因为一般胶体颗粒的折射率都比较小(例如聚苯乙烯的折射率为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.制备成功的样品SEM图见图4.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于实际.另外制备三维光子晶体的办法是刻蚀法,这种采用硅工艺的方法十分有效,但是通常只是做到了近红外,可见光部分有难度,而且价格昂贵,操作复杂,同样不利于推广.对二维光子晶体的制作也有许多的研究.二维光子晶体也有许多用途,而且制作比三维光子晶体要相对容易.在微波或厘米波波段,可以用介质棒来构成或用机械钻孔的办法;在红外和光学波段用刻蚀等方法.最早制作的二维光子晶体是用机械钻孔或用介质棒方法制得.目前,二维光子晶体的带隙已经达到红外和光学波段.制作二维光子晶体的实际例子是Bath大学的PhilipRussell和JonathanKnight以及他们的合作伙伴研制的特别不寻常的“多孔纤维”.这种纤维具有规则的气孔晶格,并且可以无散射的长度连续的传播光波.这是通过围绕一个在中心的固体玻璃核包裹一系列的中空玻璃管来实现的.由几百个传统的SiO2棒和SiO2毛细管依次绑在一起组成六角阵列,然后在2000℃下把这个结构加热拉伸产生直径只有几微米的长纤维而成.这种光纤被称为光子晶体光纤,它具有零色散点可调的特点,而且可以在芯径很大的情况下实现单模传输.这种光纤的缺点是会受到水汽的影响,因为它多是中空的.制备的样品见图10.一维光子晶体的制备非常简单,而且在光子晶体的概念提出之前就已经被广泛制备并且应用.因为它就是我们通常所说的多层膜.制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束外延技术等.4光子晶体光纤在实验中的应用光子晶体的出现将给这个时代带来一场前所未有的革命,因为许许多多的光子晶体的新用途将给我们的生活带来巨大的便利.首先光子晶体在微波波段可以作为微波天线以及手机防护设备.对于微波我们知道大部分的能量损失在基底之中,只有很少一部分发射出去,而且还带来基底的热效应.但是利用光子晶体可以设计出针对某微波频段的光子晶体.并让该光子晶体作为天线的基片.因为此微波波段落在光子晶体的禁带中,因此基底不会吸收微波,这就实现了无损耗全反射,把能量全部发射到空中.同样利用光子晶体可以抑制某种频率的微波传播的原理,可以在手机的天线部位制造微波防护罩,从而避免对人体有害的微波辐射直接照射手机用户的头部.其次在光纤传输时由于色散的影响很多时候需要采用单模光纤,但是单模光纤的成本是很高的.而利用Bath大学研制成功的的光子晶体光纤,与传统的光纤完全不同,在这里传播光是在空气孔中而非SiO2中,可导波的范围很大,从而增加数据传输量.光纤的应用同样可以推广到光子晶体光波导之中.理论计算表明,光子晶体波导可以改变这种情况.光子晶体波导不仅对直线路径而且对转角都有很高的效率,最近的实验证实了理论预言.再者光子晶体在制备低阈值的激光器方面也有极大的应用.如前面所述当材料可以发射很宽范围内的光时,只有符合缺陷模式要求的波长的光波都可以在该材料中自由穿梭而被扩增.在这样的材料外层用反射性材料制成“镜子”从而形成一个激光发射腔.被选择的光不断被连续反射从而频繁穿梭于光子晶体中间,故此强度不断被集中而增强.同时,其它波长的光被光子晶体内部吸收而无法继续增大.这意味着可以简单地得到很窄