第二章 光学材料2.ppt

内 容 提 要 光子晶体的基本概念 光子晶体的研究历史 光子晶体的制备方法 光子晶体的理论研究 光子晶体的应用前景 光子晶体的基本概念 在介电系数呈周期性排列的材料中，电磁波在频谱上形成能隙，其色散关系具有带状结构，称为光子能带结构。 具有光子能带结构的介电物质，称为光子晶体。 自然界中的例子:蛋白石 盛产于澳大利亚的宝石: 由二氧化硅纳米球沉积而成的，其色彩缤纷的外观与外界无关，而是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置不同，反射光的颜色也跟着变化。 在生物界中，花间飞舞的蝴蝶，其翅膀上斑斓色彩，其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择性反射日光的结果。 几年前，科学家发现澳洲海老鼠的毛发也具有六角晶格结构，为生物界的光子晶体又添一例。 光子晶体的研究历史 光子晶体的研究历史 光子晶体的制备方法 （一）傳統光纖製造光子晶體纖維 ????????Russell （Science，1999）等人利用將多个中空的光纖管集合排列後，再以高溫處理的方式將其拉伸，製造出具有高性能的新式光子晶體纖維，近年來利用此項技術已可製造出多種特性的光子晶體纖維，大幅增進光纖的應用價值。  （二）自組裝(Self-Assembly) 製造三維光子晶體 ????????採用均一粒徑的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化矽纳米顆粒利用自然、離心、抽濾以及真空等方式將其製成模板，再於模板上添加無機氧烷單體使其進行溶膠凝膠反應，最後利用鍛燒與萃取等方式將有機模板移除，可生成三維光子晶體。 1998年 Stein利用抽濾的方式將均一粒徑的聚甲基丙烯酸甲酯纳米顆粒製成模板，再於其上浸潤鋯、鈦或是鋁的有机溶液使其進行溶-凝胶反應，最後以高溫鍛燒，可得多孔性的光子晶體。 （Science 281, 538, 1998 ） （三）光刻技術製造二維光子晶體 这是目前的研究主流。 利用光蝕刻技術不但可以精確地製造出高度次序排列的陣列，更可利用掩膜的設計來達成光波導的行徑方向。 7-layer E-Beam Fabrication 应用例子（一）—— 激光发生器 应用例子（二）—— 波导器 总而言之 * * * 光学界中的“半导体”—— 新一代光电材料：光子晶体 在上个世纪，人类对材料性质的认识上升到了电子层次，半导体物理的进展达到了能够控制材料中的电子运动行为的水平，从而诞生了高速发展的电于工业和信息产业。 在过去的十年中，人们以控制材料中光传播为目标，受这一目标的强烈驱使，科学家转向了材料光学性质的探索，由此开辟了一个崭新的科学研究领域——光子晶体及其应用。 光子晶体的发现是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命，1999年，被《 Science 》评为年度十大科技成就之一。 控制光子的运动？？ 光子晶体的结构周期约为： 25-100nm 光子晶体: 人工晶体，由介电材料的周期排列而构成的。 光子晶体概念是由Yablonovitch和 John在 1987年各自独立地提出来的，它来自于 Maxwell方程与Schrodinger方程以及光子和电子类比。 在半导体材料中，原子排布的晶格结构产生的周期势影响着其中电子的运动行为，电子将形成能带结构；在光子晶体中，介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似的影响，因而形成光子带隙结构，出现“光子禁带”。 “光子禁带”是指一定的频率范围，该范围内的电磁波不能在结构中任何方向的传播。 光子禁带是光子晶体最重要的特征。 光子晶体的基本概念 光子禁带是否存在主要取决于光子晶体的三个因素： 1）两种介质的介电常数（或折射率）差； 2）介质的填充率比； 3）晶格结构。 介电常数差越大越容易出现光子禁带。 由于半导体材料具有较高的介电常数，半导体介质与空气结构具有很大的折射率差，团此半导体材料成为光子晶体材料的主要选择。 光子晶体的基本概念 自然界中的例子 1887 1987 with photonic band gaps: “optical insulators” 光子晶体的研究历史 Bragg反射镜 Bragg反射镜，实际上是一维光子晶体，即介电常数沿一个方向周期分布。 Bragg反射镜是由于光子禁带效应而反射光。一维光子晶体的光子禁带依赖于入射角，这意味着对一固定频率，光总能找到一传播方向进入光子晶体结构，因此Bragg反射镜并没有彻底解决光的反射问题。 光子晶体概念的提出使人们对Bragg反射镜的认识变得更为深刻，1998年Winn等人设计出了能反射任意入射光的一维光子晶体反射镜。 显然，具有完全禁带的三维光子晶体更是理想的光反射镜。 很长的时间里，光子晶体的研究停留在一維系統的光學性質上，物理