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1、光子晶體簡述吉林師范大學歐天吉0908211摘要：光子晶體是指具有光子帶隙的周期性介電結構材料，按其空間分布分為一維、二維、三維光子晶體，一維光于晶體已得到實際應用，三維光于晶體仍處于實驗室實驗階段，由于其優(yōu)良的性能，未來光子晶體材料必將得到大力開發(fā)，應用前景更廣泛。本文簡要的論述了光子晶體的原理，理論研究，材料制備以及相關的應用。光子晶體材料是本世紀最具潛力的材料之一，至從上世間八十年代后期提出這一概念后。光于材料的研究和應用得到了很太的發(fā)展，目前在光纖和半導體激光器中已得到應用，本文就光子材料的基本概念和研究現(xiàn)狀綜合評述并對其未來發(fā)展趨勢作出相應預測。關鍵字：光子晶體材料制
2、備前景應用光子晶體的原理1、什么是光子晶體光子晶體是指具有光子帶隙的周期性介電結構材料，所謂光子帶隙是由于介電常數(shù)不同的材料在空間周期性排列導致介電常數(shù)的空間周期性，使得光折射率產(chǎn)生周期性分布，光在其中傳播時產(chǎn)生能帶結構，在帶隙中的光子頻率被禁止傳播，因此稱光子禁帶，具有光子禁帶特征的材料稱光子晶體。因其具有光子局域、抑制自發(fā)輻射等特性，故光子晶體也被認為是控制光子的光半導體。1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自發(fā)輻射和光子局域時分別，提出了光子晶體這一新概念1990年，Ho.K.M，等人從理論上計算了一種三維金剛石結構光子晶體的色散關系。光子晶體
3、即光子禁帶材料，從材料結構上看，光子晶體是一類在光學尺度上具有周期性介電結構的人工設計和制造的晶體。與半導體晶格對電子波函數(shù)的調制相類似，光子帶隙材料能夠調制具有相應波長的電磁波---當電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調制，電磁波能量形成能帶結構。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內的光子，不能進入該晶體。光子晶體和半導體在基本模型和研究思路上有許多相似之處，原則上人們可以通過設計和制造光子晶體及其器件，達到控制光子運動的目的。光子晶體(又稱光子禁帶材料)的出現(xiàn)，使人們操縱和控制光子的夢想成為可能。２、光子晶體的性質光子晶體的最根本性
4、質是具有光子禁帶,落在禁帶中的光是被禁止傳播的。Yablonovitch指出:光子晶體可以抑制自發(fā)輻射。因自發(fā)輻射的幾率與光子所在頻率的態(tài)的數(shù)目成正比,當原子被放在一個光子晶體里面,而它的自發(fā)輻射光的頻率正好落在光子禁帶中時,由于該頻率光子的態(tài)的數(shù)目為零,因此自發(fā)輻射幾率為零,自發(fā)輻射被抑制。反之,光子晶體也可以增強自發(fā)輻射,只要增加該頻率光子的態(tài)的數(shù)目便可以實現(xiàn),如光子晶體中混有雜質時,光子禁帶中會出現(xiàn)品質因子很高的雜質態(tài),具有很大的態(tài)密度,這樣就可以實現(xiàn)輻射增強。光子禁帶的出現(xiàn)依賴于以下幾個因素:一是光子晶體的結構,二是介電常數(shù)的配比,三是光子晶體的幾何構形。一般說來,如果
5、光子晶體中2種介質的介電常數(shù)的差異足夠大,在介質交界面就會發(fā)生布拉格散射而且介電常數(shù)比越大,入射光被散射的越強烈,出現(xiàn)光子禁帶的可能就越大。光子晶體的另一個重要性質是“光子局域”(photonlocalization)。John于1987年提出:在一種精心設計的無序介電材料組成的超晶體中,光子呈現(xiàn)很強的Anderson局域。在光子晶體中,如果原有的周期性或對稱性受到破壞,在其光子禁帶中就有可能出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài),與缺陷態(tài)頻率吻合的光子會被局域在出現(xiàn)缺陷位置,一但偏離缺陷位置光就將迅速衰減。另外,二維晶體對入射電場方向不同的ＴＥ,ＴＭ兩種偏振模式的光具有不同的光子禁帶。關于光子
6、晶體的理論研究由于光子晶體結構與普通晶體結構的類似,普通晶體的許多概念被移植到光子晶體的研究里,如能帶、帶隙、能態(tài)密度等。電子能帶的許多處理方法也被延伸用于處理光子能帶。繼Yablonovitch和John的開創(chuàng)性工作不久,有些人就嘗試按照電子能帶計算的各種方法,如利用薛定諤方程來計算光子能帶,但結論與試驗結果不符。這是因為電子自旋為1/2的費米子,是標波量,而光波是自旋為1的玻色子,是矢波量。因此,必須從麥克斯韋方程組出發(fā),在矢量波理論的框架里計算光子晶體的能帶結構。平面波展開的方法是在光子晶體能帶研究中使用的較早也用得最多的一種方法,雖然該方法有效地揭示光子晶體中的能帶結構
7、,但是不能與實驗測量直接對應,后來人們又采用了轉移矩陣法等計算光子晶體的能帶結構和透射系數(shù),下面分別進行闡述。1.1平面波法1990年,美國的何啟明、陳子亭和ｓｏｕｋｏｕｌｉｓｈ小組便是利用平面波法第一個成功地預言了在一種具有金剛石結構的三維光子晶體中存在完整的光子禁帶,禁帶出現(xiàn)在第二條和第三條能帶之間。電磁場在倒格矢空間以平面波疊加的形式展開,可以將麥克斯韋方程組化成一個本征方程,求解的本征值便得到傳播光子的本征頻率。但是這種方法有明顯的缺點:計算量幾乎正比于所用平面波數(shù)的立方,因而受到嚴
