亚波长结构和光子晶体

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1、第六章亚波长结构和光子晶体概述按照光栅结构与波长的关系，可分为三种：亚波长结构减反结构（10.6m）多层膜系光学微结构应用：减反，偏振等特点：结构周期<波长等效折射率设计方法6.2光子晶体材料，能源和信息是当今世界文明的三大支柱；光子晶体是一种新型的人工结构功能材料，通过设计可以人为调控经典波的传输；借用固体物理中晶体的结构思想，将固体能带理论推广到介观尺度和宏观尺度用于考察电磁波辐射与人工晶格的耦合作用；光子晶体是什么？光子带隙材料（光子晶体）声子带隙材料（声子晶体）光波声波周期排列的人工微结构材料调控波的传播构成材料:半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸:毫米、微米、亚微米JohnS

2、.Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489YablonovitchEPhys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062光子晶体具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonicbandgap)。光子晶体--自然界中的例子ButterflyOpalSeamouse蛋白石，蝴蝶翅膀，孔雀羽毛，海老鼠毛等。光子晶体的特性晶格类型，光子材料的介电常数配比，高介电常数材料的填充

3、比。点缺陷线缺陷面缺陷2光子局域在光子晶体中引入杂质和缺陷时，与缺陷态频率符合的光子会被局限在缺陷位置，而不能向空间传播。1光子带隙在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是严格禁止传播的光子晶体的能带结构带隙光子能带结构允许带允许带频率禁带工作波段:可设计在可见光、红外、微波、声波范围带隙效应微腔波导转弯限制波导操控光子的流动抑制自发辐射均匀介质光子晶体三类晶体比较性质电子晶体光子晶体声子晶体结构结晶体(自然或生长的)由两种(或以上)介电材料构成的周期性结构由两种(或以上)弹性材料构成的周期性结构调控对象电子的输运行为费米子电磁波的传播玻色子机械波的传播玻色子参量普适常数原子数各

4、组元的介电常数各组元的质量密度，声波波度晶格常数1-5Å1m-1cm1mm-1m尺度原子尺度电磁波波长声波波长波德布罗意波(电子)电磁波(光子)机械波(声波)偏振自旋，横波横波与纵波的耦合波动方程薛定谔方程麦克斯韦方程弹性波波动方程特征电子禁带，缺陷态，表面态光子禁带，局域模式，表面态声子禁带，局域模式，表面态迅速成为国际学术界的研究热点93年起，研究论文每年增长>70%《科学》1998Bestbets衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向《科学》1999Runners-up半导体~光子晶体半导体光子晶体1930年代电子能带论（电子带隙）1987年光子能带（光

5、子带隙）1948年发明晶体管1991年实验验证1990年代原型器件1958年发明集成电路目前探索集成光路1960年代以后微电子革命21世纪光子技术革命光半导体未来的半导体NobelNobelNobel?国际上激烈竞争基于光子晶体的光子集成线路计划基于蛋白石结构的光子晶体波长尺度的通讯用光子部件超快光子学计划重组天线计划可调光子晶体计划毫米和亚毫米波段的集成天线技术日美欧对国民经济科技发展的影响光通讯微波通讯光子集成对地观测光电子集成地下资源探测人工带隙材料光子芯片光学系统小型化特种声源无阈值激光器发展动态1987，美国Bell实验室的E.Yablonovitch，Princeton大学的

6、S.John提出光子晶体概念。1990，美国Iowa州立大学K.M.Ho计算验证金刚石存在光子晶体；1991,E.Yablonovitch自己制作了第一个具有全方位光子带隙结构（10-13GHz）,首次在微波波段试验验证了光子禁带的存在。在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。研究动态目前仍然处于基础研究阶段，包括周期性微结构及其缺陷的制备技术，光子晶体及其缺陷控制电磁波产生，传播的物理机理，以及

7、光子晶体与器件的测试与表征及其应用原理探索。周期结构中的电磁波理论以及性能仿真手段相对成熟；微波波段光子晶体相对成熟；挑战：光波波段光子晶体的加工制备及其测试表征。红外及可见光波段：应用领域：光通信，光信息处理，光传感和控制等；－　红外探测器光子晶体探测头(1998,Sandia国家实验室)；－　光子晶体反射镜，光子晶体光纤(MIT,Bath大学，1999）－　光子晶体波分复用器件(英国St.Androws大学，2002)－　人工蛋