光子晶體及其應(yīng)用.ppt

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1、光子晶體一、光子晶體簡介二、光子晶體理論三、光子晶體應(yīng)用四、光子晶體展望人類材料史利用自然材料石器時代、銅器時代、鐵器時代...材料改性青銅、陶瓷、水泥…更深層次電學(xué)特性:金屬、半導(dǎo)體…磁學(xué)特性光學(xué)性質(zhì)光子比電子的優(yōu)點傳播速度更快攜帶更大信息更大的帶寬電子系統(tǒng):105Hz光纖系統(tǒng):1015Hz無光子-光子相互作用更小的能量損耗全光通訊二十一世紀(jì):internetera光纖電子器件全光器件能否控制光子的流動?一、光子晶體簡介光子晶體(photoniccrystal)是一種介電常數(shù)隨空間周期性變化的新型光學(xué)微結(jié)構(gòu)材料,其最根本的特征是具有光子禁帶。Whatisp

2、hotoniccrystal?周期排列的人工微結(jié)構(gòu)材料光子晶體圖示構(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《科學(xué)》1998Bestbets衰老、對付生化武器、光子晶體、吸熱池、哮喘治療、全球氣候走向光子晶體概念的產(chǎn)生:到1987年,E.Yablonovitch及S.John不約而同地指出:在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中,電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后,某些波段的電磁波強(qiáng)度會因破壞性干涉而呈指數(shù)衰減,無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞,相當(dāng)于在頻譜上形成能隙,于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu),此即所謂的光子能帶結(jié)構(gòu)(photonicbandstructures

3、)。具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì),就稱為光能隙系統(tǒng)(photonicband-gapsystem,簡稱PBG系統(tǒng)),或簡稱光子晶體(photoniccrystals)。光子晶體簡介光子和電子都是波粒二象性的光子先認(rèn)識波動性后認(rèn)識粒子性描寫麥克斯韋方程電子先認(rèn)識粒子性后認(rèn)識波動性描寫薛定諤方程薛定諤方程的解依賴于作用勢無作用勢→平面波函數(shù)→能級連續(xù)庫倫勢→氫原子波函數(shù)→能級分立固體中周期勢→布洛赫波函數(shù)→能帶麥克斯韋方程的解依賴于傳播介質(zhì)無限自由空間→平面波→頻率連續(xù)波導(dǎo)管→TE/TM型波→截止頻率介電常數(shù)周期結(jié)構(gòu)→?→能帶?光子電子服從方程麥克斯韋(Maxwe

4、ll)方程薛定諤方程對應(yīng)波矢量波標(biāo)量波自旋自旋為1的玻色子自旋為1/2的費米子相互作用沒有很強(qiáng)固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中,不過需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方,也有本質(zhì)的不同,如右圖性質(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)控對象電子的輸運行為費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聲波波長波德布羅意波(電子

5、)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方程薛定諤方程麥克斯韋方程彈性波波動方程特征電子禁帶,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)光子晶體簡介自然界中的光子晶體:光子晶體雖然是個新名詞,但自然界中早已存在擁有這種性質(zhì)的物質(zhì)。盛產(chǎn)于澳洲的寶石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅納米球(nano-sphere)沉積形成的礦物,其色彩繽紛的外觀與色素?zé)o關(guān),而是因為它幾何結(jié)構(gòu)上的周期性使它具有光子能帶結(jié)構(gòu),隨著能隙位置不同,反射光的顏色也跟著變化;換言之,是光能隙在玩變色把戲。在生物界中,也不乏光子晶體的蹤

6、影。以花間飛舞的蝴蝶為例,其翅膀上的斑斕色彩,其實是鱗粉上排列整齊的次微米結(jié)構(gòu),選擇性反射日光的結(jié)果.翅膀鱗粉具有光子晶體結(jié)構(gòu)的蝴蝶bluegreenyellowbrown2003年ANDREWR.PARKER等發(fā)現(xiàn)一種澳洲昆士蘭的東北部森林的甲蟲(Pachyrhynchusargus),它的外殼分布有和蛋白石一樣的光子晶體結(jié)構(gòu)類似物,其具有從任何方向都可見的金屬色澤。這種棲息于大陸棚上﹐有著刺毛的低等海生無脊椎動物`海毛蟲(seamouse)`具有引人矚目的虹彩。此種海毛蟲的刺毛是由為數(shù)眾多之六角圓柱體層層疊積形成的結(jié)晶狀構(gòu)造物,其具有與光子晶體光纖(ph

7、otoniccrystalfiber)--一樣的物理屬性。這種刺毛亦能捕捉光線且僅反射某些波長的色光﹐而發(fā)出鮮明色彩第一個功敗垂成的三維光子晶體遺憾的是,理論學(xué)家稍后指出,上述系統(tǒng)因?qū)ΨQ性(symmetry)之故,在W和U兩個方向上并非真正沒有能態(tài)存在,只是該頻率范圍內(nèi)的能態(tài)數(shù)目相對較少,因此只具有虛能隙(pseudogap)1989年,Yablonovitch及Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在。實驗中采用的周期性介電系統(tǒng)是Al2O3塊材中,按照面心立方(face-centeredcubic,fcc)的排列方式鉆了將近八千個球狀空洞,

8、如此形成一個人造的巨觀晶體。三氧化二鋁和空氣的介電常

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