亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和光子晶體

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1、第六章亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和光子晶體概述按照光柵結(jié)構(gòu)與波長(zhǎng)的關(guān)系，可分為三種：亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)減反結(jié)構(gòu)（10.6?m）多層膜系光學(xué)微結(jié)構(gòu)應(yīng)用：減反，偏振等特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)周期<波長(zhǎng)等效折射率設(shè)計(jì)方法6.2光子晶體材料，能源和信息是當(dāng)今世界文明的三大支柱；光子晶體是一種新型的人工結(jié)構(gòu)功能材料，通過設(shè)計(jì)可以人為調(diào)控經(jīng)典波的傳輸；借用固體物理中晶體的結(jié)構(gòu)思想，將固體能帶理論推廣到介觀尺度和宏觀尺度用于考察電磁波輻射與人工晶格的耦合作用；光子晶體是什么？光子帶隙材料（光子晶體）聲子帶隙材料（聲子晶體）光波聲波周期排列的人工微結(jié)構(gòu)材料調(diào)控波的傳播構(gòu)成材料:半導(dǎo)體、絕緣體、金屬材料等單元尺寸:毫米、微米、亞微米JohnS

2、.Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489YablonovitchEPhys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062光子晶體具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料隨空間呈周期性的變化時(shí)，在其中傳播的光波的色散曲線將成帶狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)這種空間有序排列的周期可與光的波長(zhǎng)相比位于同一量級(jí)，而折射率的變化反差較大時(shí)帶與帶之間有可能會(huì)出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶的“光子禁帶”(photonicbandgap)。光子晶體--自然界中的例子ButterflyOpalSeamouse蛋白石，蝴蝶翅膀，孔雀羽毛，海老鼠毛等。光子晶體的特性晶格類型，光子材料的介電常數(shù)配比，高介電常數(shù)材料的填充

3、比。點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷2光子局域在光子晶體中引入雜質(zhì)和缺陷時(shí)，與缺陷態(tài)頻率符合的光子會(huì)被局限在缺陷位置，而不能向空間傳播。1光子帶隙在一定頻率范圍內(nèi)的光子在光子晶體內(nèi)的某些方向上是嚴(yán)格禁止傳播的光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)帶隙光子能帶結(jié)構(gòu)允許帶允許帶頻率禁帶工作波段:可設(shè)計(jì)在可見光、紅外、微波、聲波范圍帶隙效應(yīng)微腔波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎限制波導(dǎo)操控光子的流動(dòng)抑制自發(fā)輻射均勻介質(zhì)光子晶體三類晶體比較性質(zhì)電子晶體光子晶體聲子晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶體(自然或生長(zhǎng)的)由兩種(或以上)介電材料構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)由兩種(或以上)彈性材料構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)調(diào)控對(duì)象電子的輸運(yùn)行為費(fèi)米子電磁波的傳播玻色子機(jī)械波的傳播玻色子參量普適常數(shù)原子數(shù)各

4、組元的介電常數(shù)各組元的質(zhì)量密度，聲波波度晶格常數(shù)1-5?1?m-1cm1mm-1m尺度原子尺度電磁波波長(zhǎng)聲波波長(zhǎng)波德布羅意波(電子)電磁波(光子)機(jī)械波(聲波)偏振自旋?，?橫波橫波與縱波的耦合波動(dòng)方程薛定諤方程麥克斯韋方程彈性波波動(dòng)方程特征電子禁帶，缺陷態(tài)，表面態(tài)光子禁帶，局域模式，表面態(tài)聲子禁帶，局域模式，表面態(tài)迅速成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)93年起，研究論文每年增長(zhǎng)>70%《科學(xué)》1998Bestbets衰老、對(duì)付生化武器、光子晶體、吸熱池、哮喘治療、全球氣候走向《科學(xué)》1999Runners-up半導(dǎo)體~光子晶體半導(dǎo)體光子晶體1930年代電子能帶論（電子帶隙）1987年光子能帶（光

5、子帶隙）1948年發(fā)明晶體管1991年實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1990年代原型器件1958年發(fā)明集成電路目前探索集成光路1960年代以后微電子革命21世紀(jì)光子技術(shù)革命光半導(dǎo)體未來的半導(dǎo)體NobelNobelNobel?國(guó)際上激烈競(jìng)爭(zhēng)基于光子晶體的光子集成線路計(jì)劃基于蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體波長(zhǎng)尺度的通訊用光子部件超快光子學(xué)計(jì)劃重組天線計(jì)劃可調(diào)光子晶體計(jì)劃毫米和亞毫米波段的集成天線技術(shù)日美歐對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)科技發(fā)展的影響光通訊微波通訊光子集成對(duì)地觀測(cè)光電子集成地下資源探測(cè)人工帶隙材料光子芯片光學(xué)系統(tǒng)小型化特種聲源無閾值激光器發(fā)展動(dòng)態(tài)1987，美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的E.Yablonovitch，Princeton大學(xué)的

6、S.John提出光子晶體概念。1990，美國(guó)Iowa州立大學(xué)K.M.Ho計(jì)算驗(yàn)證金剛石存在光子晶體；1991,E.Yablonovitch自己制作了第一個(gè)具有全方位光子帶隙結(jié)構(gòu)（10-13GHz）,首次在微波波段試驗(yàn)驗(yàn)證了光子禁帶的存在。在1991年，Yablonovich制作了第一塊光子晶體。他所采用的方法是在折射率為3.6的材料上用機(jī)械方法鉆出許多直徑為1mm的孔，并呈周期性分布。這種材料從此被稱為“Yablonovich”，它可阻止里面的微波從任何方向傳播出去。研究動(dòng)態(tài)目前仍然處于基礎(chǔ)研究階段，包括周期性微結(jié)構(gòu)及其缺陷的制備技術(shù)，光子晶體及其缺陷控制電磁波產(chǎn)生，傳播的物理機(jī)理，以及

7、光子晶體與器件的測(cè)試與表征及其應(yīng)用原理探索。周期結(jié)構(gòu)中的電磁波理論以及性能仿真手段相對(duì)成熟；微波波段光子晶體相對(duì)成熟；挑戰(zhàn)：光波波段光子晶體的加工制備及其測(cè)試表征。紅外及可見光波段：應(yīng)用領(lǐng)域：光通信，光信息處理，光傳感和控制等；－　紅外探測(cè)器光子晶體探測(cè)頭(1998,Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)；－　光子晶體反射鏡，光子晶體光纖(MIT,Bath大學(xué)，1999）－　光子晶體波分復(fù)用器件(英國(guó)St.Androws大學(xué)，2002)－　人工蛋