资源简介

(共13张PPT)
光子晶体及其特征
2
光子晶体及其特征
具有光子频率禁带（Photonic Band Gap）的材料称作光子晶体，光子晶体也叫电磁晶体(electromagnetic crystals)。光子晶体是由两种具有不同介电常数的介质组成的复合材料。自然界里发现的天然光子晶体极少，如蛋白石（Opal）、宝石。蛋白石是一种具有几百nm 空隙、规整排列的无定型二氧化硅结构，具有不完全的较小的带隙。
光子晶体及其特征
3
光子晶体最大的特征是光子带隙。光子晶体中介电常数的周期性排列产生了一定的势场，当两种材料的介电常数相差足够大时，在电介质界面上会出现布拉格散射，产生光子带隙，能量落在带隙中的光将不能传播。两种介质材料的介电常数比(或折射率比)越大，布拉格散射越强烈，就越有可能出现光子带隙。
4
计算表明，在金刚石结构中，折射率比达到2 时才可能出现完全光子带隙。反蛋白石结构中这个比值是2.8，蛋白石结构中增至4。介电常数比越大，带隙宽度也越大。光子晶体自身的结构对光子带隙也有很大的影响。由球形粒子构成的面心立方结构，对称性高，第二、三能带在w 点发生简并，不能形成完全带隙。而当在面心立方结构的晶格中引入两个小球形成金刚石结构后，简并被打破，能够形成完全光子带隙。利用非球形的粒子形成面心立方结构或者引入各向异性的介电材料也可能产生完全光子带隙。
5
光子晶体的另一个特征是光子局域。如果在光子晶体中引入某种缺陷，和缺陷态频率吻合的光子可能被局域在缺陷位置或只能沿缺陷位置传播。光子晶体引入点缺陷形成微腔、引入线缺陷形成光波导、引入面缺陷则形成一个完全镜面。
6
1987 年，Yablonovitch和John 几乎同时提出了光子晶体的概念:具有光子带隙的周期性电介结构。
1991 年Yablonovitch在GaAs 基片材料上用机械钻刻方法制备出了面心立方结构(FCC)的晶体。他们在GaAs 基片上覆盖上膜版，在每一个圆孔中，从与垂直方向成35°的三个方向钻刻，三个方向各差120°，如图13（a）所示。
用微波共振测量仪器[光学上称为马克- 曾德尔(Mach - Zehnder) 干涉仪]从不同入射角(不同波矢)测得透射光的强度，并把理论结果(线)和实验结果(点)进行比较，实验和理论结果符合得非常好，如图13(b)所示。其中实线和虚线分别对应于理论计算的S光和P光，圆形和三角分别对应于实验测量的S光和P光。
7
图13(a)机械钻刻得到具有完整光子禁带的面心立方光子晶体的示意图，(b)试验(圆点和三角分别代表S光和P光)和理论(实线和虚线分别代表S光和P光)得到的光子能带的结果，黑色区域是完全光子禁带区。
8
由图可看出，在15GHz附近(黑色区域)确实存在一个完全光子禁带，其光子禁带的宽窄随两种材料的折射率差改变，并且实验和理论结果很好地符合。这项工作首次证明了三维光子禁带的存在，制备出了第一个具有完全禁带的三维光子晶体。
9
1993 年后，光子晶体的研究逐年增多，据估计，使用“光子带隙”这一术语的文章以每年70 %的速度递增。美国Science 杂志把光子晶体列为1999 年十大科学进展一。
10
光子晶体的诞生是由于人们希望能像控制电子一样来控制光子，类似于半导体周期性结构对电子的控制，使电子不能在禁带中存在，但可跨禁带跃迁。电子与光子在本质上有很大差别，但在形成晶体的过程中有非常相似的物理性质和行为，在周期调制的结构中(电子是通过势能的调制，光子是介电常数的调制) 有很多相似行为。
11
因此固体物理中的许多概念都可在光子晶体中应用，如倒格子、布里渊区、色散关系、布洛赫函数、Van Hove 奇点等. 表2为自由电子和光子与晶体中电子和光子的性质的比较。
12
理论结果表明，这三个位置对应于第一、第二和第四布里渊区的边界，由于光在边界处的散射，出现了光子禁带。第三布里渊区边界处，则由于禁带太小，不能在实验中测量出来。
13
由以上的讨论可知，在从光子到光子原子，到光子分子和光子晶体的形成过程中，都表现出和对应的电子结构相类似的性质和行为。

展开更多......

收起↑