【2017年整理】激光全息干涉技术制备二维光学晶格的研究.doc

1.光子晶体 1.1光子晶体的历史与发展 1987年，一个新的概念，光子晶体的概念，震动了世界。1991年，这个概念成为现实，世界上第一块完全禁带光子晶体诞生了。它是在一块陶瓷材料上钻三组交叉的孔阵列成的，每列的孔都与页面垂直方向成35°角，这种结构被称为Yablonovitch结构[1]。这种6mm直径的孔阵列，可以阻碍13～16 GHz的无线电波通过。早期，光晶体的工作频率多数落在微波波段。近年来，其工作波段推进到红外甚至可见光波段。一般来说，工作波长越短，三维光子晶体的制造越困难，而二维光子晶体的制备则容易得多。MIT的Johnson[2-3]等人提出了光子晶体平板的结构，即有限厚度的二维光子晶体，在二维周期平面内利用光子禁带来限制光子运动，而在厚度方向则利用折射率波导效应来限制光子运动．从平面集成技术考虑，光晶体平板结构有比较大的应用前景。光子晶体的禁带导致了许多在普通光学中没有的新性质，例如光子能隙、光子的局域态、超棱镜色散、受抑制的自发辐射，等等。它可以使光像水一样流过一个拐角而不反射回来；也可以使自发辐射的光以单波长输出。这些新的性质在集成光学、微波通信、强场光学等领域具有潜在的巨大的使用价值，因而在短短十余年时间内，收到了物理、材料等领域的学者的广泛关注。光子晶体使人类自如地控制光的流动的梦想即将成真，具有极其巨大的应用价值和极其广阔的应用前景。光子晶体正处于蓬勃发展期，其未来充满挑战和希望。 1.2光子晶体的原理 光子晶体的原理首先是从类比晶体开始的，因而可以通过理解晶体来对光子晶体的工作原理有初步的认识。对于晶体我们可以看到原子是周期性有序排列的，正是这种周期性的排列，才在晶体之中产生了周期性的势场。这种周期性势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。其实，电磁波只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙，能量落在带隙中的波也同样不能传播。由此我们知道在离子晶体中，离子的周期性排列产生了能带结构，而能带又控制着载流子(半导体中的电子或者空穴)在半导体中的运动。与之类似，光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(Band Gap)，类似于半导体中的禁带，也可以理解为光受到了布拉格散射而引起的。而周期的大小不同，导致了距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，可以将发光层置于光子晶体之中，使其发光波长恰好落于光子晶体的禁带之中。由于这些波长的光是禁止的，因而可以抑制发光层的自发辐射。而如果通过引入缺陷就可使原来的晶体的禁带之中出现允许态，因而这些对应的波长的光就能够产生，这可以用来制备面发射的激光器。 1.3光子晶体的特性 光子晶体是一种具有很广应用潜力的新颖结构，它具有许多特殊的性质，如光子带隙、光子局域、抑制自发辐射、双折射与负折射现象等。 (1)光子带隙 光子晶体的本质特征是具有光子带隙。光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体中的行为，通过独特的光子禁带可以改变光子的行为。在光子晶体中，真空波长与介质分布周期同量级的电磁波受到周期排列非均匀介质较强的散射（称为布拉格散射），使得光子晶体对该波长范围的电磁波呈现出类似半导体电子能带的电磁波能带结构和不同于均匀介质的电磁特性。当介质的介电常数差别较大时，每个周期单元内的非均匀介质对电磁波的强散射可能与布拉格散射相互耦合，使光子晶体出现带隙。 光子带隙分为完全光子带隙和不完全光子带隙[4]。完全光子带隙是指，在某个频率范围内，所有偏振方向及传播方向的光都禁止传播，也就是在整个空间范围内所有方向上都存在能隙，并且每个方向上的能隙可以相互重叠；不完全光子带隙指只在某一特定传播方向上出现的带隙。光子带隙结构主要取决于光子晶体结构、晶格大小、嵌入电解质的形状、介电常数、占空比等。一般而言，结构对称性越差的光子晶体，能带简并度越低，越容易实现完全光子带隙；介电常数相差越大，也越能出现完全光子带隙[5-7]。 图 1-1 光子带隙对自发辐射的影响 (a)自由空间 (b)光子晶体 (c)缺陷态光子晶体[11]。 Fig. 1-1 The relation between PBG and atom spontaneous radiation. (a) Free space， (b) In the photonic cry