光子晶體的性質(zhì)

光子晶體的性質(zhì)

1光子晶體的禁帶和光子晶體結(jié)構(gòu)光緒單胞是一種利用微米、亞微米和其他光波長(zhǎng)度來(lái)折射變化的介質(zhì)材料。根據(jù)折射變化的周期性，可分為二維、二維和三維光緒。見(jiàn)圖1.3。1987年，e.tabronovikch首次提出了光緒人機(jī)的概念。光緒人機(jī)被認(rèn)為是電子晶體光學(xué)領(lǐng)域的對(duì)應(yīng)材料。正如電子晶界的周期性軌跡一樣，光緒性晶體的折射變化也導(dǎo)致一些能量的光無(wú)法傳輸?shù)竭@些結(jié)構(gòu)。這些受禁的頻率范圍被稱(chēng)為光度星。關(guān)于光子晶體的研究一開(kāi)始只是在理論上,因?yàn)楣獠ㄩL(zhǎng)尺度上的工藝非常困難.1991年,由E.Yablonovitch制成了第一個(gè)微波波段的光子晶體后,隨著各種工藝的發(fā)展,多種多樣的晶體結(jié)構(gòu)陸續(xù)的被制備出來(lái),許多理論預(yù)測(cè)得到了驗(yàn)證.其中應(yīng)用較多的三維結(jié)構(gòu)是“木柴垛結(jié)構(gòu)”(圖3)和“蛋白石結(jié)構(gòu)”(圖4).光子晶體的禁帶導(dǎo)致了許多在普通光學(xué)中沒(méi)有的新性質(zhì),例如光子能隙、光子的局域態(tài)、超棱鏡色散、受抑制的自發(fā)輻射,等等.它可以使光像水一樣流過(guò)一個(gè)拐角而不反射回來(lái)(圖5);可以使自發(fā)輻射的光只能以單波長(zhǎng)輸出;也可以使波長(zhǎng)相差很小的光分開(kāi)60°,使其色散達(dá)到普通棱鏡的500倍.這些新的性質(zhì)在集成光學(xué)、微波通信、強(qiáng)場(chǎng)光學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的巨大的實(shí)用價(jià)值,因而在短短十余年時(shí)間內(nèi),受到了物理、材料等領(lǐng)域的學(xué)者的廣泛關(guān)注.可以相信,在不久的將來(lái),光子晶體將在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域以及光通信、光計(jì)算、激光技術(shù)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)起到不可替代的作用.2光子晶體的能量光子晶體的原理首先是從類(lèi)比晶體開(kāi)始的,因而可以通過(guò)理解晶體來(lái)對(duì)光子晶體的工作原理有初步的認(rèn)識(shí).對(duì)于晶體我們可以看到原子是周期性有序排列的,正是這種周期性的排列,才在晶體之中產(chǎn)生了周期性的勢(shì)場(chǎng).這種周期勢(shì)場(chǎng)的存在,使得運(yùn)動(dòng)的電子受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射,從而形成能帶結(jié)構(gòu),帶與帶之間可能存在帶隙.電子波的能量如果落在帶隙中,就無(wú)法繼續(xù)傳播.其實(shí),不論是電磁波,還是其它波(如光波等),只要受到周期性調(diào)制,都有能帶結(jié)構(gòu),也都有可能出現(xiàn)帶隙.而能量落在帶隙中的波同樣不能傳播.由此我們知道在離子晶體中,離子的周期性排列產(chǎn)生了能帶結(jié)構(gòu),而能帶又控制著載流子(半導(dǎo)體中的電子或者空穴)在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng).與之類(lèi)似,光子晶體中是折射率的周期性變化產(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu),從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng).光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率(如人工造成的空氣空穴)的材料.如圖1～3所示的光子晶體材料從一維到三維的結(jié)構(gòu),可以明顯看出周期性的存在.高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙(BandGap,類(lèi)似于半導(dǎo)體中的禁帶,也可以理解為光受到了布拉格散射引起的).而周期的大小不同,導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對(duì)一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng).也就是只有某種頻率的光才會(huì)在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播.因?yàn)楣獗唤钩霈F(xiàn)在光子晶體帶隙中,所以可以預(yù)見(jiàn)到我們能夠自由控制光的行為.例如,可以將發(fā)光層置于光子晶體之中,使其發(fā)光波長(zhǎng)恰好落于光子晶體的禁帶之中.由于這些波長(zhǎng)的光是禁止的,因而可以抑制發(fā)光層的自發(fā)輻射.而如果通過(guò)引入缺陷就可使原來(lái)的晶體的禁帶之中出現(xiàn)允許態(tài),因而這些對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光就能夠產(chǎn)生,這可以用來(lái)制備面發(fā)射的激光器.當(dāng)然光子晶體還有許多的用途,我們將在應(yīng)用中介紹.3光子晶體的制備光子晶體在自然界是存在的,例如用來(lái)裝飾的蛋白石(Opal),還有一種深海老鼠身上的毛以及一種特殊的蝴蝶翅膀上的粉,它們?cè)诓煌慕嵌确瓷洳煌ㄩL(zhǎng)的光.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)它們都是由大小均勻的微米、亞微米量級(jí)的結(jié)構(gòu)密堆積而成的.參見(jiàn)圖6～9.因?yàn)镺pal形式與后面講到的小球密堆積完全相同,因而暫且不提.但是,這些都是粗糙的光子晶體,因?yàn)樗鼈儧](méi)有形成完全的禁帶.通過(guò)Maxwell方程的求解可以發(fā)現(xiàn),完全的禁帶的形成與大小同兩種材料的折射率的差、填充比以及排列方式有著密切的聯(lián)系.一般說(shuō)來(lái),兩種材料的折射率差值越大,就越有可能形成光子禁帶,當(dāng)兩種材料的折射率差大于2的情況,可以形成完全禁帶.在自然界尚未曾發(fā)現(xiàn)此類(lèi)的晶體.因而實(shí)驗(yàn)研究使用的光子晶體必須經(jīng)過(guò)人工制備.目前制作光子晶體的材料主要是無(wú)機(jī)材料,如金剛石,Si,SiO2,TiO2,GaAs,AlGaAs等,另外還有一些金屬材料等.主要的思想就是人為的構(gòu)造周期性的結(jié)構(gòu).在制備工藝上對(duì)于一維、二維和三維而言有許多不同.下面分別進(jìn)行介紹.最先制備成功的的是三維光子晶體,但是主要工作在微波波段.在可見(jiàn)光部分曾經(jīng)比較時(shí)興的一種辦法是類(lèi)似于自然界的Opal結(jié)構(gòu),人工制備亞微米量級(jí)的小球,然后讓他們密堆積起來(lái)形成周期性排列.制作光學(xué)波段的光子晶體常用的技術(shù)是膠體顆粒(如SiO2顆粒)的自組織生長(zhǎng).SiO2顆粒的大小一般為微米或亞微米,懸浮在液體中.由于顆粒帶電,而整個(gè)體系呈電性,這些懸浮顆粒之間有短程的排斥相互作用以及長(zhǎng)程的范德華力.自組裝時(shí)先使用一種有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合的材料使SiO2小球表面電荷被除去以呈現(xiàn)電中性.因而小球之間的作用力消失,在重力或其他外力的作用下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,懸浮的膠體顆粒會(huì)從無(wú)序的結(jié)構(gòu)相變成有序的面心立方結(jié)構(gòu)而形成膠體晶體.這種方法簡(jiǎn)便而且經(jīng)濟(jì).一般采用的膠體顆粒是聚合物等,因?yàn)橐话隳z體顆粒的折射率都比較小(例如聚苯乙烯的折射率為1.59),理論計(jì)算表明由這些材料構(gòu)成的面心立方結(jié)構(gòu)的膠體晶體沒(méi)有光子帶隙.對(duì)于相對(duì)低于空氣折射率的小球與空氣空穴造成的折射率差別不足以形成三維帶隙的缺點(diǎn),人們用以下方法試圖克服這個(gè)困難:使用TiO2來(lái)填充顆粒中的空氣間隙,而TiO2有較高的折射率,最終將顆粒溶解,留下緊密排列的TiO2包圍的球狀空氣空穴.這樣就可以形成三維的光子禁帶了.制備成功的樣品SEM圖見(jiàn)圖4.但是這種方法的缺點(diǎn)也很大,就是在制備的過(guò)程中會(huì)引入很多很多的缺陷,而且這些缺陷很難控制,這就使該方法很難應(yīng)用于實(shí)際.另外制備三維光子晶體的辦法是刻蝕法,這種采用硅工藝的方法十分有效,但是通常只是做到了近紅外,可見(jiàn)光部分有難度,而且價(jià)格昂貴,操作復(fù)雜,同樣不利于推廣.對(duì)二維光子晶體的制作也有許多的研究.二維光子晶體也有許多用途,而且制作比三維光子晶體要相對(duì)容易.在微波或厘米波波段,可以用介質(zhì)棒來(lái)構(gòu)成或用機(jī)械鉆孔的辦法;在紅外和光學(xué)波段用刻蝕等方法.最早制作的二維光子晶體是用機(jī)械鉆孔或用介質(zhì)棒方法制得.目前,二維光子晶體的帶隙已經(jīng)達(dá)到紅外和光學(xué)波段.制作二維光子晶體的實(shí)際例子是Bath大學(xué)的PhilipRussell和JonathanKnight以及他們的合作伙伴研制的特別不尋常的“多孔纖維”.這種纖維具有規(guī)則的氣孔晶格,并且可以無(wú)散射的長(zhǎng)度連續(xù)的傳播光波.這是通過(guò)圍繞一個(gè)在中心的固體玻璃核包裹一系列的中空玻璃管來(lái)實(shí)現(xiàn)的.由幾百個(gè)傳統(tǒng)的SiO2棒和SiO2毛細(xì)管依次綁在一起組成六角陣列,然后在2000℃下把這個(gè)結(jié)構(gòu)加熱拉伸產(chǎn)生直徑只有幾微米的長(zhǎng)纖維而成.這種光纖被稱(chēng)為光子晶體光纖,它具有零色散點(diǎn)可調(diào)的特點(diǎn),而且可以在芯徑很大的情況下實(shí)現(xiàn)單模傳輸.這種光纖的缺點(diǎn)是會(huì)受到水汽的影響,因?yàn)樗嗍侵锌盏?制備的樣品見(jiàn)圖10.一維光子晶體的制備非常簡(jiǎn)單,而且在光子晶體的概念提出之前就已經(jīng)被廣泛制備并且應(yīng)用.因?yàn)樗褪俏覀兺ǔＫf(shuō)的多層膜.制備方法有真空鍍膜技術(shù)、溶膠凝膠技術(shù)、分子束外延技術(shù)等.4光子晶體光纖在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用光子晶體的出現(xiàn)將給這個(gè)時(shí)代帶來(lái)一場(chǎng)前所未有的革命,因?yàn)樵S許多多的光子晶體的新用途將給我們的生活帶來(lái)巨大的便利.首先光子晶體在微波波段可以作為微波天線(xiàn)以及手機(jī)防護(hù)設(shè)備.對(duì)于微波我們知道大部分的能量損失在基底之中,只有很少一部分發(fā)射出去,而且還帶來(lái)基底的熱效應(yīng).但是利用光子晶體可以設(shè)計(jì)出針對(duì)某微波頻段的光子晶體.并讓該光子晶體作為天線(xiàn)的基片.因?yàn)榇宋⒉úǘ温湓诠庾泳w的禁帶中,因此基底不會(huì)吸收微波,這就實(shí)現(xiàn)了無(wú)損耗全反射,把能量全部發(fā)射到空中.同樣利用光子晶體可以抑制某種頻率的微波傳播的原理,可以在手機(jī)的天線(xiàn)部位制造微波防護(hù)罩,從而避免對(duì)人體有害的微波輻射直接照射手機(jī)用戶(hù)的頭部.其次在光纖傳輸時(shí)由于色散的影響很多時(shí)候需要采用單模光纖,但是單模光纖的成本是很高的.而利用Bath大學(xué)研制成功的的光子晶體光纖,與傳統(tǒng)的光纖完全不同,在這里傳播光是在空氣孔中而非SiO2中,可導(dǎo)波的范圍很大,從而增加數(shù)據(jù)傳輸量.光纖的應(yīng)用同樣可以推廣到光子晶體光波導(dǎo)之中.理論計(jì)算表明,光子晶體波導(dǎo)可以改變這種情況.光子晶體波導(dǎo)不僅對(duì)直線(xiàn)路徑而且對(duì)轉(zhuǎn)角都有很高的效率,最近的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論預(yù)言.再者光子晶體在制備低閾值的激光器方面也有極大的應(yīng)用.如前面所述當(dāng)材料可以發(fā)射很寬范圍內(nèi)的光時(shí),只有符合缺陷模式要求的波長(zhǎng)的光波都可以在該材料中自由穿梭而被擴(kuò)增.在這樣的材料外層用反射性材料制成“鏡子”從而形成一個(gè)激光發(fā)射腔.被選擇的光不斷被連續(xù)反射從而頻繁穿梭于光子晶體中間,故此強(qiáng)度不斷被集中而增強(qiáng).同時(shí),其它波長(zhǎng)的光被光子晶體內(nèi)部吸收而無(wú)法繼續(xù)增大.這意味著可以簡(jiǎn)單地得到很窄