微纳光学加工和应用

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1、word文档整理分享微纳光学加工及应用20144214004孙奇一、微纳光学结构光是一种电磁波，是由同相相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动而形成的，其传播方向垂直于电场与磁场所构成的平面，电磁波能有效的传递能量和动量[1]。从低频到高频，电磁波可以分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和γ射线等，人眼可见波长在380nm至780nm之间，如图1所示。(a)(b)图1.(a)电磁波传播方式(b)电磁波按频率分段图（图片来自网络）传统光学只研究可见光与物质的相互作用，而现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。随着微加工技术的日臻成

2、熟，电磁波在微纳结构中的传播，散射和吸收等性质开始逐渐被人们研究。1987年，Yabnolovich和John首次提出了光子晶体的概念[2,3]；1998年，Ebbesen等人发现在打了周期性亚波长纳米空洞的厚金属膜上存在着超强的光投射峰，这一发现激起了对金属周期结构中表面等离激元的研究热潮[4]。从1987年至今，各领域对光学微纳结构的研究一直在迅猛发展。1.1光子晶体从固体物理的概念中可以得知，当电子在周期性的势场中运动时，由于电子受到周期性势场的布拉格散射的作用形成了电子的能带结构，同时电子的能带与能带之间在一定的晶格条件下将存在带隙。在带

3、隙能量范围内的电子其传播是被禁止的。运动的电子实际上也是一参考资料word文档整理分享种物质波。无论何种波动形式，只要其受到相应周期性的调制，都将有类似于电子的能带结构同样也都可能出现禁止相应频率传播的带隙。微纳光学结构技术是指通过在材料中引入微纳光学结构，实现新型光学功能器件。1987年，Yabnolovitch和John在讨论如何抑制原子的自发辐射和光子局域的问题时，把电子的能带概念拓展到光学中，提出了光子晶体的概念。光子晶体就是规律性的三维微结构，其周期远小于波长，形成光子禁带，通过引入局部缺陷，控制光的传播与分束。同样的，固体物理晶格中的

4、许多概念都可以类似的运用到光子晶体中，诸如倒格矢空间、布里渊区、色散关系、Bloch函数、VanHove奇点等物理概念。由于周期性，对光子也可以定义有效质量。不过需要指出的是，光子晶体与固体晶格有相似处，也有本质的区别。如光子服从的是麦克斯韦方程，电子则服从薛定谔方程；光子是矢量波而电子是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，而光子是自旋为1的波色子，等等。根据空间的周期性分布的不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体，如图2所示。一维光子晶体的材料一般在一个方向上进行周期排列，例如传统的多层薄膜结构；二维光子晶体表现为材料在平面上进行周期性

5、排列；三维光子晶体具有多种材料排列方式，最为经典的则为图所示的柴堆结构。图2.一维、二维以及三维光子晶体示意图（图片来自网络）光在光子晶体中传播时会受到材料周期性调制而形成光子带隙，从而禁止频率落在带隙内的光在晶体中传播，因此由光子晶体做成的器件可以如愿地控制光子运动。光子晶体对光的调控作用主要体现在如下几个方面。首先，光子晶体具有光子带隙。频率落在带隙中的电磁波将禁止在晶体中传播。光子带隙有完全带隙和不完全带隙之分：完全光子带隙就是全方位光子带隙，即一定频率范围内的光波无论其偏振方向或传播方向如何都被禁止传播，如图3所示；不完全光子带隙则只能在

6、特定方向上禁止光的传播。参考资料word文档整理分享图3.三维光子晶体能带结构示意图（插图为柴堆结构的三维光子晶体扫描电镜照片[5]）其次，光子局域是光子晶体的另一个基本特征。当向光子晶体中引入缺陷或杂质时，光子禁带中会出现缺陷态，与缺陷态频率吻合的光子会被局限在缺陷位置。Einstein在1905年提出的自发辐射对许多多物理过程和实际应用有着重要的影响。在二十世纪八十年代以前，人们一直认为自发辐射是一个随机的自然现象，是不能控制的。而今，通过引入结构缺陷，利用光子带隙中出现的态密度很高的缺陷态，就可以控制发光物质的自发辐射[6]，如图4所示为三

7、维光子晶体缺陷态增强半导体GaInAsP自发辐射的实验结果[7]。当引入点缺陷时，光将被局限在某个特定位置，还可以形成高品质的光学微腔[8]，如图5为二维光子晶体中高品质因子微腔的实验结果[9]；当引入缺陷时，形成光子晶体波导可以从根本上实现光转弯时的高效率传输[10]，图6为二维光子晶体波导的结果[11]；若把光子晶体沿某个方向切开，由于其平移对称性的破坏，将会形成表面态，通常也叫表面缺陷。具有表面缺陷的光子晶体就会把光局限在某个平面上，由此可以制作平面波导或平面谐振腔[12]，如图7所示为三维光子晶体及其表面态的实验结果[13]。参考资料wo

8、rd文档整理分享图4.三维光子晶体缺陷态增强半导体自发射图5.二维光子晶体中高品质因子微腔的设计实验参考资料word文档整理分享图6.二