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《論文：光子晶體研究進(jìn)展》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫(kù)。
1、光子晶體研究進(jìn)展摘要：光子晶體是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得異常迅猛的發(fā)展，是一門止在蓬勃發(fā)展的有前途的新學(xué)科。光了晶體不僅具有理論價(jià)值，更具有非常廣闊的應(yīng)用前景，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。本文冋顧光子晶體的發(fā)展歷史，介紹光子晶體的特性、制作方法、理論研究以及應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：光子晶體，光子能帶，光子帶隙，光子局域態(tài)，自發(fā)輻射，Maxwell方程組1.光子晶體簡(jiǎn)介眾所周知，電子在周期勢(shì)場(chǎng)中傳播時(shí)，由于電子波會(huì)受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射，會(huì)形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶Z間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在
2、帶隙小，傳播是禁止的。其實(shí)，不管任何波，只要受到周期性調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能岀現(xiàn)帶隙。能量落在帶隙屮的波是不能傳播的。電磁波或者光波也不會(huì)例外。不過人們真止清楚其物理含義已經(jīng)是八十年代末了。1987年Yabnolovitch［1］在討論如何抑制自發(fā)輻射時(shí)提出了光子晶體這一新概念。兒乎同時(shí)，John⑵在討論光了局域時(shí)也獨(dú)立提出。如果將不同介電常數(shù)的介電材料構(gòu)成周期結(jié)構(gòu)，電磁波在其中傳播時(shí)由于布拉格散射，電磁波會(huì)受到調(diào)制而形成能帶結(jié)構(gòu)，這種能帶結(jié)構(gòu)叫做光子能帶(photonicband)o光子能帶之間可能出現(xiàn)帶隙
3、，即光了帶隙(photonicbandgap,簡(jiǎn)稱PEG)。具有光了帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)就是光子晶體(photoniccrystals),或叫做光子帶隙材料(photonicbandgapmaterials),也有人扌巴它叫做電磁晶體(electromagneticcrystals)o固體物理中的許多概念都可用在光子晶體上，如倒格子、布里淵區(qū)、色散關(guān)系、Bloch函數(shù)、VanHove奇點(diǎn)等。由于周期性，對(duì)光子也可以定義有效質(zhì)量。不過需要指岀的是光子晶休與常規(guī)的晶休(從某種意義上來說可以叫做電子晶休)有相同的地方，也有
4、木質(zhì)的不同，如光了服從的是Maxwell方程，電了服從的是薛定譚方程；光子波是矢量波，而電子波是標(biāo)量波；電子是自旋為1/2的費(fèi)米子，光子是自旋為1的玻色子；屯子之間有很強(qiáng)的相互作用，而光子之間沒有。光子晶體的基本特征是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播的，因?yàn)閹吨袥]有任何態(tài)存在。光子帶隙的存在帶來許多新物理和新應(yīng)用［3-5］o自發(fā)輻射是愛因斯坦在1905年提出的，對(duì)許多物理過程和實(shí)際應(yīng)用有重要的影響，如門發(fā)輻射是半導(dǎo)體激光器的閾電流的主要原因，只冇超過閾電流才能發(fā)出激光。八十年代以前，人們一直認(rèn)為自發(fā)輻
5、射是一個(gè)隨機(jī)的自然現(xiàn)彖，是不能控制的。Purcell在1946年提出自發(fā)輻射可以人為改變［6］,但沒有受到任何重視。直到光子晶體的出現(xiàn)才改變了這種觀點(diǎn)［1］。如果電磁波的態(tài)密度為零，則自發(fā)輻射的幾率為零，即沒有il發(fā)輻射。光子帶隙小的態(tài)密度為零，因此，頻率落在光子帶隙小的電磁波的自發(fā)輻射被完全抑制。如果引入缺陷，在光子帶隙屮可能岀現(xiàn)態(tài)密度很高的缺陷態(tài)，因此可以增強(qiáng)自發(fā)輻射。冇文獻(xiàn)稱將自發(fā)輻射可以控制的這種現(xiàn)彖叫Purcell效應(yīng)。如果引入缺陷或無序，對(duì)電子來說將有電子局域態(tài)或安德森局域。如果在光子晶體屮引入介電缺陷或
6、介電無序，光子也一樣，也會(huì)出現(xiàn)局域現(xiàn)象［2,7-91o在光子晶體屮實(shí)現(xiàn)光子局域比在電子體系里更理想，因?yàn)檫@里沒有電子體系里存在的多體相互作用。1991年實(shí)驗(yàn)上觀察到二維光子晶體中的光子局域［10］。最近，在半導(dǎo)體粉末中直接得到光了局域的證據(jù)［H］o我們知道即使在真空中也存在零點(diǎn)漲落，但在光子帶隙中卻沒有。這將帶來這樣一種結(jié)果：將原子或分子放入光子品體小，如果從激發(fā)態(tài)到基態(tài)輻射的光子頻率正好落在光子帶隙里，受激的原子或分子將被“鎖”在激發(fā)態(tài)，不能激發(fā)到基態(tài)。因?yàn)榇藭r(shí)沒有任何光子態(tài)與之耦合而輻射。這將帶來新的物理現(xiàn)象［1
7、2?15］,如原了將和口身輻射的局域光場(chǎng)發(fā)身強(qiáng)烈的耦合，出現(xiàn)奇異的Lamb位移［12］o1.光子晶體的制作自然界有光子晶體的例子，如蛋口石和蝴蝶翅膀等。電子顯微鏡揭示它們由一些周期性微結(jié)構(gòu)組成，由于在不同的方向不同頻率的光被散射和透射不一樣，呈現(xiàn)岀美麗的色彩，但它們沒有三維的光子帶隙。光子帶隙的岀現(xiàn)與光子晶休結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的連通性、介電常數(shù)反井和填充比有關(guān)，條件是比較苛刻的。一般說，介電常數(shù)反差越大（一般要求大于2），得到光子帶隙可能性越大。制作具有完全光子帶隙的光子晶體無疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。最初提出的結(jié)構(gòu)是面心立方結(jié)構(gòu)
8、［1,2］。從實(shí)空間看即用何種介電材料來填充Wigner-Seitz原胞。選用怎樣的面心立方結(jié)構(gòu)和填充比才有光子帶隙，這并非一件易事。Bellcore的研究人員用了兩年多的時(shí)間嘗試了各種各樣的面心立方結(jié)構(gòu)，才發(fā)現(xiàn)一種面心立方結(jié)構(gòu)有光了帶隙。這是一種背景為介電材料，相互重疊的空氣孔在其屮排列成而心立方結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)?？諝饪渍?6%的體積。這種制作
