胶态磁性光子晶体的研究进展_庄琳
胶态磁性光子晶体的研究进展*
庄 琳1,梁锦华1,2,沈 辉1,招泳欣1,2
(1 中山大学物理科学与工程技术学院,广州510275;2 中山大学化学与化学工程学院,广州510275)摘要 胶态磁性光子晶体是光子晶体研究的一个新方向,由于其特殊的光学、磁学性能而逐渐引起人们的注意。介绍了胶态磁性光子晶体的概念和性质,列出并讨论了几种不同的胶态磁性光子晶体的制备方法,分析了其在工程、生物医学、化学化工方面的应用前景,阐述了胶态磁性光子晶体未来的发展和研究方向。
关键词 磁性光子晶体 磁致变色 机理中图分类号:T M 27 文献标识码:A
Research Progress in Colloidal Magnetic Photonic Crystals
ZH UA NG Lin 1,LIANG Jinhua 1,2,SHEN H ui 1,ZHA O Yongxin 1,2
(1 School of P hysics and Eng ineering ,Sun Y at sen U niv ersity ,G uang zhou 510275;2 Schoo l o f Chemistr y and
Chemical Engineer ing ,Sun Yat sen U niversity,Guang zho u 510275)
Abstract T he co lloidal mag netic photo nic cr ystal is a new dir ection of pho tonic crystal studies.Because o f their special o ptica l and magnetic pr operty ,the colloidal mag netic pho tonic cr ystals are gr adually attr act ing peo ple s attention.T he co ncept and cha racteristics o f the co lloidal magnetic pho tonic cr ystals a re intr oduced.P reparation me thods,applicatio ns in engineer ing ,biolo gical medicine,chemistry and chemical eng ineer ing are present ed and dis cussed.I n addition,the applications and futur e development o f the co lloidal mag netic pho tonic cry sta ls are also pros pected.
Key words mag net ic phot onic crystals,mag neto chr omic,mechanism
*广州市海珠区知识产权局项目(2008 zl 04)
庄琳:女,1980年生,讲师,从事纳米功能材料和器件研究 T el:020 ******** 613 E mail:stszhl@ma https://www.360docs.net/doc/2315698074.html,
0 引言
近年来,光子晶体[1,2]逐渐成为光子学与光学工程研究中的热门课题,因其具有可以如人所愿地控制光子运动的显著特征,被认为是未来光子器件研制的核心。将磁光材料嵌于光子晶体中可构成一种新型的光子带隙材料 磁性光子晶体[3,4]。磁性光子晶体具有宽的和可逆的调谐性,能对磁场产生瞬间响应,在磁场下对近红外和可见光区域波长的光及微波都能产生响应[5]
,在可见光区域表现为在磁场下能显示不同的颜色(磁致变色),在光子晶体结构单元中加入磁性成分后,可通过外加直流磁场来调整自身的光学性质,使得组分中含有磁性材料的光子晶体具有巨大的应用前景。
目前,对光子晶体的研究已经做了大量工作[6,7],但对磁性光子晶体特性的研究则刚刚起步,国内还没有磁性光子晶体特别是胶态磁性光子晶体制备方面的文献报道。
1 胶态磁性光子晶体
经典的单分散胶体结构单元通过自组装形成的胶体周期结构是其中一类光子带隙材料,在胶体结构单元加入磁性成分后,便可制成胶态磁性光子晶体。这种胶态磁性光子晶体可以便利地用磁场控制光子晶体的性质。Asher S A 等于2001年率先用高电荷的聚苯乙烯包覆超顺磁性纳米颗粒,制备出胶态磁性光子晶体[8,9]。在这种体系中,由于颗粒的载磁率低,磁场力对胶体的作用比粒子间的静电力要弱,导致磁场对颗粒的调节范围有限以及响应时间长而限制了实际的应用,增加聚合物微球的载磁率在实际工艺中会遇到很大的困难;直接将纯磁性材料的胶体作为构筑胶态光子晶体的结构单元使用则由于进一步使粒子单畴长大将导致超顺磁性 铁磁性的转变[10]而遇到很大困难。
2007年Yin Y D 等通过溶剂热法合成出一种粒径可调的聚丙烯酸包覆的超顺磁性胶态纳米晶簇[11]。产物中每一个团簇都是由许多约10nm 的Fe 3O 4单晶组成,因此能够在室温下保持超顺磁性。他们同时发现,这种磁性团簇能够直接用来构筑胶态光子晶体,带有大量负电荷的PAA 包覆的颗粒表面与磁场下颗粒之间较强的相互作用使其具有高度的调节光子禁带的特性,并且其光子禁带可以覆盖整个可见光区域,图1为胶态磁性光子晶体在磁场作用下显示不同颜色的照片。2008年Yin Y D 等在原有的成果上加以改进,除了用聚丙烯酸包覆Fe 3O 4胶态纳米晶体簇外,还尝试用SiO 2包覆,取得了较好的效果,这种胶态磁性团簇可以很好地分散在乙醇中并且同样能够直接用来构筑胶态光子晶体
[12]
。
图1 胶态磁性光子晶体在磁场作用下显示不同颜色[13]Fig.1 Differen t color of the c olloidal magnetic photonic
crystals shown un der magne tic field [13]
2 胶态磁性光子晶体的制备
目前,单分散性磁性颗粒的制备方法有高温水解法[14-16]、溶胶 凝胶法[17,18]、水热法[19,20]、多元醇法[21,22]和微乳液法[23]等,而胶态磁性光子晶体的制备主要为化学共沉淀法和溶剂热法。
2.1 化学共沉淀法
化学共沉淀法是最早采用的液相化学反应合成金属氧
化物纳米颗粒的方法,通常把Fe 2+和Fe 3+
的溶液以一定比例混合,用过量的NH 4OH 或者NaOH 在一定温度、pH 值和搅拌速率下进行沉淀反应,然后将沉淀物过滤、洗涤、烘干得到Fe 3O 4磁性颗粒。
1927年Welo 等首次提出了化学共沉淀法[24]
,此后化学共沉淀法成为合成纳米颗粒的重要方法。2001年Asher 在传统的化学共沉淀法的基础上,采用乳液聚合法在化学共沉淀法所制得的Fe 3O 4磁性颗粒表面包覆一层聚合物得到胶态磁性光子晶体[9]
。测试结果表明这种方法所制得的磁性纳米颗粒具有超顺磁性,在磁场作用下能对不同波长的光产生响应,在不同的磁场强度下胶态磁性光子晶体对不同波长的光产生强度不同的衍射波长(如图2所示)。
化学共沉淀法反应时间较短,可以批量合成,但是对粒径分布的控制有很大局限性,反应的影响因素多,难以获得单分散性好的产品,而且需要保护气氛,因此限制了进一步的应用。
2.2 溶剂热法
溶剂热法可以看作是水热法的改进方法,是一种合成特定形状和粒径纳米颗粒的通用方法[25,26]。溶剂热法以多元醇作为溶剂,前驱体化合物氯化铁悬浮在液体多元醇中,并引入碱、聚丙烯酸或者正硅酸乙酯作为表面活性剂。这种悬浮液在不断搅拌下被加热至特定温度反应一段时间。反应产物具有超顺磁性,并且对磁场能产生响应,改变磁场强度产物的水溶液会对不同波长的光产生不同强度的反射光(如图3所示),用去离子水处理后能分散在水溶液中,当有光线通过时能对光线产生折射和散射,使这种磁性胶体在磁场下
能显示不同的颜色[11]
。但是用溶剂热法制备均一尺寸的磁性颗粒尚有不少问题,目前存在所制得的粒径太大(大于100nm)、耗时长、能耗大[11]或者是添加剂有毒[27]和产量
低[12]等缺点,还有待进一步的改进。
图2 化学共沉淀 乳液聚合法制备的磁性光子晶体的性质[9]
Fig.2 Differen t pr ope rties of the colloid al magnetic photonic
crystals pre pare d by the chemic al copre cipitation
emu lsion polymerization method [9]
3 胶态磁性光子晶体的形成机理
3.1 胶态磁性光子晶体的形成
化学共沉淀法合成磁性颗粒基本上是以方程式Fe 2++2Fe 3+
+8OH - Fe 3O 4+4H 2O 为原理,Fe 2+
和Fe 3+
按一定比例混合水解生成Fe 3O 4,反应体系中以Fe 3O 4为成核中心
经过团聚及奥氏熟化等过程生长成为纳米磁性微球。
溶剂热法中,当反应进行时在反应体系中加的FeCl 3发生水解反应生成Fe(OH )3[11,28]
,多元醇提供的还原气氛使Fe(OH )3在高温下水解并部分还原为Fe(OH )2,最后通过脱水反应生成磁性颗粒。Wang Debao 等通过改变反应时间探讨溶剂热法中磁性颗粒的形成过程,利用XRD 和SEM 对产物进行表征,结果表明,在溶剂热法反应过程中,Fe 3+的水合离子在水热条件下首先生成中间产物Fe 8O 8(OH )8C l 1.35纳
米棒,Fe 8O 8(OH )8Cl 1.35纳米棒作为初步的聚合中心进行自组装并团聚形成团聚物,团聚物继续生长并诱导其它的Fe 8O 8(OH )8Cl 1.35纳米棒生长,形成纳米微球,纳米微球经过奥氏熟化之后最终形成磁性纳米颗粒,晶体的生长过程如图4所示[29]
。
化学共沉淀法和溶剂热法制备的磁性颗粒由于粒径小而且均一,在室温下能保持超顺磁性。高分子聚合物或者SiO 2与磁性颗粒之间通过共价键和氢键等作用力包覆在磁性颗粒表面形成胶态磁性光子晶体(如图5所示)。
3.2 磁致变色
Y in Y D 等发现磁性溶胶中磁性颗粒粒径在一定范围内时在磁场作用下可以显色[14],反射光角度与磁场方向平行,只能在一个方向上具有光子禁带,属于一维磁性光子晶体[31]。在磁场的诱导作用下,磁性溶胶沿着磁场方向形成有序的周期性结构(如图6所示),磁性溶胶在磁场中能产生布拉格衍射,证明这些磁性溶胶在磁场作用下能产生有序的周期性结构。磁性颗粒随着磁场强度的增大而相互接近,此时,颗粒间的磁吸引力与溶剂化层斥力以及颗粒St ern 层的静电排斥力达到平衡,整个体系处于亚稳状态。这种亚稳状
态和周期性的有序结构使溶胶对光产生衍射而显出颜色。
4 胶态磁性光子晶体的应用
磁性光子晶体目前已经应用在磁光隔离器、磁光环行器
及微波频率多路选择[33]
等方面,而胶态磁性光子晶体的研究才刚刚起步,在应用方面的研究并不多。由于胶态磁性光子晶体的主要成分是磁性颗粒,并有光子晶体的性质,因此胶态磁性光子晶体的应用范围亦非常广泛,涉及磁性颗粒、磁性液体和光子晶体的应用等各方面。
4.1 医学
磁性颗粒在医学领域的研究已经有较多的报道[34-36],将磁性粉体和药物共同包埋在高分子微球内制成磁性纳米载体可对生物体给药,在患部外施加磁场,可使载体富集在患部,达到一定的靶向性,大大提高治疗效果并降低药物的副作用。
1957年Gilchrist [37]提出把铁氧系纳米颗粒用于肿瘤热疗有两种不同的途径。研究表明,如果磁性纳米颗粒类型选择恰当,能在瘤体内合理分布,可以治疗直径大于10cm 的肿瘤[38],目前已经有不少研究人员对磁性颗粒的热疗进行了研究,并且取得了不错的成果[39-41]。胶态磁性光子晶体的粒径与靶向药物、热疗所要求的粒径相近,而且可以改进制备工艺使胶态磁性光子晶体在制备过程中不产生有毒的副产品,在磁性靶向药物的应用上有相当大的前景。
4.2 生化工程
胶态磁性光子晶体可以用于酶的固定化,磁性颗粒表面
聚合物的羟基或者其他基团可以固定活化酶,减少酶分子的运动性,从而使酶相对稳定,在酶催化反应结束后,能将酶和产物简单分开,使酶能重复利用,达到降低成本和长时间使用的目的[42,43]。磁性颗粒用于酶固定化,能够简化固定化酶和产物的分离过程,只要外加磁场即可将两者分开。
磁性颗粒球可以简单地分离纯化生物活性物质,特定的蛋白质吸附在磁性颗粒表面后,外加磁场即可将吸附蛋白质的磁性颗粒与其他杂质蛋白分开,然后将磁性微球上的蛋白质洗脱即可[44]。
4.3 光学器件
胶态磁性光子晶体一个特殊的性质就是在磁场下对光有响应,在磁场下能自组装成周期性的有序结构,对光衍射而显示不同的颜色。运用胶态磁性光子晶体的这种性质可以制成类似于液晶的产品,在胶态磁性光子晶体的附近加一个可变的电磁场,由于胶态磁性光子晶体在磁场下能对光产生响应,通过改变磁场的方向、强度和形状等就可以使胶态磁性光子晶体显示不同的颜色及图案。
4.4 其他
胶态磁性光子晶体只有在磁场作用下才会对光有响应,当没有磁场时会变成一般的磁性液体,因此可以用作一些可重复使用的海报、标签、指示牌。改进制备工艺,还可以用于无毒的环境友好型涂料、油漆以及彩色印刷品等。
5 结语
由于磁性光子晶体巨大的应用前景,其研究在未来一段时间内会得到很大发展,如光相移器、光学限幅器和变极化器等磁光器件亦可以由磁性光子晶体甚至胶态磁性光子晶体制成。
目前,在胶态磁性光子晶体的制备工艺方面还没有找到一种可以精确控制粒径、单分散性好、能耗低、产量高的合成方法。在磁性颗粒改性方面,目前文献的报道主要集中在用先改性法制备出PAA和S iO2包覆磁性颗粒的磁性光子晶体。中山大学太阳能系统研究所尝试了对已制备的磁性颗粒表面改性从而得到磁致变色的磁性光子晶体的后改性方法,取得较好的成果,在磁学、光学方面的性能都接近现有文献报道的研究水平,为胶态磁性光子晶体的研究提供了一种新的思路。暂时没有在红外、紫外等区域对胶态磁性光子晶体进行研究的文献报道。对于具有软磁性的纳米磁性颗粒,如果能够选择合适的改性剂对其进行改性,则在极性介质中,胶态磁性光子晶体就能保持动力学稳定。采用无毒的试剂,通过适当的表面改性,新工艺所组建的磁性光子晶体还可以应用在生物、医药和光学领域等各个方面。
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(责任编辑 王 炎)
光子晶体的应用及其发展前景
光子晶体的应用及其发展前景 摘要：光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。 关键字：光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 （1）1987年，E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 （1）什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。 （2）光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识，在电子晶体中，由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性，光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用，所以也会形成光波的的带状分布，出现不连续的光子能带，能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一，它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性，可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说，由于介电材料只在一个空间方向上周期排列，所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说，由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布，所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构，可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中，落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播，而在具有不完全带隙的光子晶体中，光波只是在某些方向上被禁止。
光子晶体简介及应用
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在
光子晶体原理及应用
一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的
光子晶体及其器件的研究进展
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
光子晶体的应用与研究
光子晶体的应用与研究 IsSN1009—3044 Compu~rKnowledgeandTechnology电脑知识与技术 V o1.7,No.22.August2011. 光子晶体的应用与研究 陆清茹 (东南大学成贤学院,江苏南京210000) E—mail:kfyj@https://www.360docs.net/doc/2315698074.html,.ell https://www.360docs.net/doc/2315698074.html, Tel:+86—551～56909635690964 摘要:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand～Gap,简称为PBG)g~性的人造周期性电介质结构.有时也称为PBG光子晶体结 构.该文系统的阐述了光子晶体的产生,制备及应用. 关键词:光子晶体;光子频率禁带;激光全息: 中图分类号:TN364文献标识码:A 光子晶体激光器:微波天线 文章编号:1009—3044(2011)22—5468—02 进入2O世纪后半叶以来,全球迎来了电子时代,电子器件被极其广泛的应用于工作和生活的各个领域,尤其是促进了计算机 和通讯行业的发展.但是进入21世纪以后,伴随着电子器仲不断深入的小型化,低耗能,高速度,其进一步的提升也越来越困难.人 们感到了电子器件发展的瓶颈,开始把目光转向了光子,有人提出了使用光子代替电子作为新一代信息载体的设想.电子器件的基 础是电子在半导体中的运动,类似的,光子器件的基础是光子在光子晶体中的运动.光子的性质决定了光子器件的主要特点是能量 损耗小,运行速度快,所以工作效率高.光子器件在高效率发光二极管,光子开关,光波导器件,光滤波器等方面都具备巨大的应用
潜力.近年来,光子晶体相关的理论研究,实验科学以及实际应用都已经得到了迅速的发展,光子晶体领域已经成为现在世界范围 的研究热点.1999年l2月17日,《科学》杂志就已经把光子晶体的研究列为全球十大科学进展之一. 1光子晶体的由来 1987年S.John和E.Yablonovitch等人分别提出了光子晶体的概念:光子晶体是指具有光子带隙(PhotonicBand—Gap,简称为 PBG)特性的人造周期性电介质结构,有时也称为PBG光子晶体结构.它是根据电子学上的概念类比得出的.我们知道,在固体物理 学的研究中,晶体中的呈周期性排列的原子产生的周期性电势场会对其中电子有特殊的约束作用.在介电常数周期性分布的介质 中的电磁波的一些频率是被禁止的,光子晶体也类似.通常这些被禁止的频率区间为光子带隙,也叫光子频率禁带,而将具有"光子 频率禁带"的材料称作为光子晶体 2光子晶体的分类与结构 我们可以根据光子晶体的结构进行分类根据其能隙空间分布的不同,我们把光子晶体分为一维光子晶体,二维光子晶体,三 维光子晶体. 3光子晶体的制造 光子晶体在自然界中几乎不存在,它是一种人造做结构,其制备工艺主要有以下几种: 3.1机械加工法 机械加工法又叫精密机械加工法.这种加工法是存光子晶体的早期研究中发展起来的方法.机械加工法通过在集体材料上进 行机械接卸钻孑L,利用空气介质和集体材料的折射率差束获得光子晶体,这种方法可以用于制备制作起来比较容易的晶格常熟在 厘米至毫米量级的微波波段光子晶体. 3.2半导体微制造法 半导体制备技术中的"激光刻蚀","反应离子束刻蚀","电子束刻蚀"以及"化学汽相
综述光子晶体的研究进展
光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领
域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的
光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展
光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展 段廷蕊 李海华 孟子晖3 刘烽 都明君 (北京理工大学化工环境学院 北京 100081) 摘 要 光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料,它具有尺度为光波长量级的重复结构单元,通过对这些结构单元的合理设计,可以调控光子晶体 的光学性质。近年来,光子晶体不仅在药物释放、光学开关、金属探针领域取得了广泛的应用,也为化学及生 物传感器领域提供了新的检测原理和手段。本文概述了光子晶体的制备方法及近年来该技术在化学及生物 传感器领域中的应用研究。 关键词 光子晶体 水凝胶 化学传感器 生物传感器 分子识别 Application of Photonic Crystals in Chemical and Bio2sensors Duan T ingrui,Li Haihua,Meng Z ihui3,Liu Feng,Du Mingjun (School of Chemical&Environmental Engineering,Beijing Institute of T echnology,Beijing100081) Abstract Photonic crystals are periodical materials which are made by periodically arrangement of m ore than tw o materials with different reflective index.Photonic crystals have periodical and repeated unit structure with nanometer scale, and its optical properties can be tuned by reas onably designing of the structure units.Photonic crystals have been applied not only in clinical diagnosis,drug delivery,optical s witches,ion probe,but als o in biosens ors and chemical sens ors.Here the preparation methods and applications in sens ors field of photonic crystals are summarized. K eyw ords Photonic crystals,Hydrogel,Chemical sens or,Biosens ors,M olecular recognition 1 光子晶体的概念及其结构特性 光子晶体(photonic crystals)是1987年Y ablonovitch和John等在研究自辐射和光子局域化时分别提出的。光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制,从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)。光子能带之间可能会出现带隙,即光子带隙(photonic bandgap,简称P BG)。具有P BG的周期性介电结构即光子晶体,或称作光子带隙材料,也有人把它叫做电磁晶体。 光子晶体中,周期性排列的重复结构单元的尺度是光波长量级,根据重复结构循环的维数,可分为一维、二维和三维光子晶体(图1)。就像半导体中原子点阵可以控制电子传播一样,光子晶体中不同折光指数的周期性排列结构可以控制一定频率的光的传播。光子带隙或禁带是指一个频率范围,频率在此范围的电磁波不能在光子晶体里传播,而频率位于导带的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播。带隙的宽度和位置与光子晶体的折光指数、周期排列的结构尺寸及排列规则都有关系。但与电子相比,光子具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度以及更低的能量损耗。光子晶体作为一种新型的信息传导材料,已成为学术界的一个研究热点[1～5],王玉莲、顾忠泽等[6～8]发表过相关的综述和文章,宋延林等[9,10]近年来报道的具有荧光特性的光子晶体在光学器件领域显示了良好的应用前景。 国家自然科学基金项目(20775007)和863计划项目(2007AA10Z433)资助 2008206230收稿,2008209229接受
反蛋白石光子晶体的研究进展_韩国志
反蛋白石光子晶体的研究进展 韩国志1 孙立国2 (1南京工业大学应用化学系 南京 210009; 2黑龙江大学化学化工与材料学院 哈尔滨 150080) 2008-07-02收稿,2008-09-24接受摘 要 反蛋白石晶体是一类重要的光子晶体,由于其制备材料的广泛性以及容易实现对光子禁带的 多重调制而受到广泛关注。本文介绍了目前反蛋白石晶体结构的主要制备技术和方法,详细阐述了反蛋白石 晶体结构的最新研究进展。 关键词 反蛋白石 光子晶体 胶体晶体 应用 Advance in Inverse Opal Photonic Structure Han Guozhi 1 Sun Liguo 2(1Department of Applied Chemistry ,Nanjing Universit y of Technology ,Nanjing 210009;2School of Chemistry and Materials ,Heilongjian g Univers ity ,Harbin 150080) A bstract Inverse opal crystals are an important structure for photonic crystal .Comparing with opal crystals ,it is advantageous in universality of materials for fabricating and easy to realize multi -tunablity of stop -band and structure function .In this paper ,current preparation and advance in application of inverse opal structures are reviewed . Keywords Inverse opal ,Photon ic crystal ,Colloidal crystal ,Application 图1 反蛋白石晶体的结构Fig .1 SEM image of invers e opal 蛋白石(opal )是一种存在于自然界中的、在数百nm 尺度 上有规整排列的含水非晶质二氧化硅。它拥有色彩缤纷的外 观,电子显微镜下观察表明,结晶蛋白石具有周期排列的六方 晶格,为面心立方结构。广义而言,蛋白石是一种三维光子晶 体,具备选择性布拉格反射,所以在不同的角度,显示不同的 颜色[1～4]。目前人工蛋白石主要采用胶体晶体自组装方法制 备。将表面带同种电荷的胶体颗粒(如非晶二氧化硅微球、聚 苯乙烯微球等)按一定的浓度分散于溶剂中,由于颗粒表面之 间的电荷相互作用,随着溶剂的蒸发,胶体粒子自动排列成六 方密堆积的胶体晶体,当胶体晶体中微球的直径与光波长相 当时,该晶体即可产生带隙,具有与蛋白石相似的光学特性。 反蛋白石晶体就是在蛋白石晶体的空隙中填充某种介 质,然后通过焙烧、溶解或化学腐蚀等方法除去蛋白石晶体的原材料后所形成的多孔结构,即空气小球以面心立方的形式分布于介质中,每个空气小球在之前胶体粒子接触点以小的圆柱形通道连接(图1)。如果介质折射率与空气不同,就产生布拉格反射,反射波长可由下式计算: λ=2(2 3)1 2d (n 2a -sin 2θ)1 2其中,λ表示反射波长,d 表示晶面间距,n a 表示材料平均折射率,θ表示入射光线与晶面的夹角。这种结构只要填充材料的折射率跟周边的介质(空气)的比值达到一定的数值(>2.8)时,就会出现完全光子带隙。 与蛋白石晶体相比,反蛋白石晶体最大的优势在于制备材料的选择性广泛、材料折射率的差异容易
近两年光子晶体研究的进展
近两年光子晶体研究的进展 许文贞 vincent.xu.chn@https://www.360docs.net/doc/2315698074.html, 光子晶体以及光子能带结构等概念早在1987年分别由E. Yablonovitch和S. John分别独立地提出，并且在随后的1990年和1991年分别实现了理论预言和成功实验制备第一个有完整光子带隙的光子三维晶体，发展至今光子晶体在理论、实验和应用研究方面取得了很大的进展。光子晶体（Photonic Crystals）是一种介电常数（或折射率）周期性排列的有序结构物质，也即一种在高折射率材料的某些位置周期性出现低折射率的材料。其最根本的特征是正由于那些周期性的折射率结构产生了光子禁带，因此频率处于禁带内的光子将无法传播，就像半导体材料中的电子在周期性势场作用下形成能带结构，因此光子晶体实现了对光子的控制。 光子晶体的应用主要是基于它的两个基本特性：抑制自发辐射和光子局域态。正由于光子晶体的这两个优势，而且光子与电子相比具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度、更强的互连能力和并行能力、更大的存储量、更低的能量损耗，所以，在半导体器件的进一步小型化和在减小能耗下提高运行速度成为难题后，人们提出了用光子作为信息载体替代电子的设想。因此当今有关光子晶体的研究得到了广泛的关注，它在零阈值激光器、光波导、发光二极管、偏振片、滤波器等方面显示了巨大的应用价值。发展至今，光子晶体这研究领域中比较热门的方向有三维光子晶体及薄膜的制备技术、可调光子晶体、光子晶体光纤、纳米光子晶体、磁性光子晶体等。本文主要集中在对三维光子晶体、光子晶体光纤两方面近两年来进展的介绍。 1. 三维光子晶体 光子晶体根据能隙空间分布的特点可分为一维(1D)光子晶体、二维(2D) 光子晶体和三维(3D) 光子晶体。光子晶体是一种人造晶体，自然界里几乎不存在。蛋白石是迄今为止发现的唯一的天然光子晶体，它是属于三维光子晶体。而且三维光子晶体能产生全方向的完全禁带，相比一维、二维光子晶体仅能产生方向禁带，因此三维光子晶体具有更普遍的实用性，占据了光子晶体研究中很大的份额。 由于天然光子晶体的稀缺，因此在光子晶体的研究中光子晶体的制备是主要的，而且是最难的一方面。因为对于光子晶体来说，光在晶体中的传输就要求晶体的周期性晶格尺寸达到亚微米量级，因此这给了晶体制备带来了很大的难题，尤其是近红外到可见光波段的三维光子晶体的制备。目前，一般三维光子晶体的制备的一种简单切实可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备胶体晶体。这种方法的制备可通过以下几种途径组装制备(4)：重力场下的组装、垂直沉降法、离心力场下的组装、电场下的组装、模板法等。但是这种晶体生成方法主要还是生成简单媒质简单周期的光子晶体。经过多年的研究，光子晶体制备技术上以器件化为指导，逐步由简单媒质简单周期向复杂媒质复合周期结构方向发展，由胶体模板自组装等纯化学制备手段向物理化学方法相融合的多元技术扩展，而且应用领域也不断扩宽，由光电子器件、集成光路进一步拓展到光电对抗、光学探测、传感等。
光子晶体的应用及其发展前景
光子晶体的应用及其发展前景 光子晶体的应用及其发展前景摘要:光子晶体是一种介电常数不同的，是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维?二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用，三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性，所以具有广泛的应用前景。关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年，E.Yallonovitch 和 S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后，其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程，并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG)，光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带，三维光子晶体能产生全方向的禁带，具有更普遍的实用性。 2、光子晶体的原理 (1)什么是光子晶体
光子晶体研究进展(资剑)
光子晶体研究进展 资剑 复旦大学表面物理国家重点实验室，上海200433 Jzi@https://www.360docs.net/doc/2315698074.html, 摘要 光子晶体是八十年代末提出的新概念和新材料，迄今取得异常迅猛的发展，是一门正在蓬勃发展的有前途的新学科。光子晶体不仅具有理论价值，更具有非常广阔的应用前景，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。本文回顾光子晶体的发展历史，介绍光子晶体的特性、制作方法、理论研究以及应用前景。 关键词：光子晶体，光子能带，光子带隙，光子局域态，自发辐射，Maxwell方程组 我们所处的时代从某种意义上来说是半导体时代。半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响。大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西是由半导体带来的。几乎所有的半导体器件都是围绕如何利用和控制电子的运动，电子在其中起到决定作用。半导体器件到如今可以说到了登峰造极的地步。集成的极限在可以看到的将来出现。这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没有的优势：速度快，没有相互作用。因此，下一代器件扮演主角的将是光子。 光子晶体是1987年才提出的新概念和新材料[1,2]。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动[3-5]。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得无法想象。 1. 2. 光子晶体简介 3. 众所周知，电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是禁止的。其实，不管任何波，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是不能传播的。电磁波或者光波也不会例外。不过人们真正清楚其物理含义已经是八十年代末了。 1987年Yabnolovitch [1]在讨论如何抑制自发辐射时提出了光子晶体这一新概念。几乎同时，John [2]在讨论光子局域时也独立提出。如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫
纯介质光子晶体非线性效应研究进展
纯介质光子晶体非线性效应研究进展 石建平1,2，纪艳平1,2，李子旻1,2，金涛1,2，赵小童1,2， 黄万霞1,2，孙逸哲3，王玉杰3，董可秀3* 1 光电材料科学与技术安徽省重点实验室，安徽芜湖 241000； 2 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241000； 3 滁州学院电子与电气学院，安徽滁州 239000 摘要：如何在低阈值小尺度(毫瓦或皮焦量级、微米以下)情况下激发非线性光学效应是近年来光学领域研究的重要课题。 该研究最直接的应用需求就是光子集成芯片，这是未来实现超高速、大容量信息网络体系的基础。光子晶体具有类似于半导体能带的光子禁带(PBG)，被誉为“光子半导体”，为人们提供了一种新颖而又实用的操纵光子的物理手段，使低阈值、可集成非线性效应产生成为可能。越来越多的非线性效应在光子晶体中已经被发现，例如光子晶体慢光、带隙孤子、电磁感应透明、二次谐波产生、光学双稳态等，本文将着重对可用于光子集成器件开发的光子晶体非线性效应研究领域的一些主要成果和进展进行总结，介绍其相关应用并对光子晶体非线性效应研究作出展望。 关键词：光子晶体；非线性光学效应；低阈值集成光学非线性；光子集成器件 中图分类号：O734 文献标志码：A Research progress of nonlinear optical effect in all-dielectric photonic crystals Jianping Shi1,2, Yanping Ji1,2, Zimin Li1,2, Tao Jin1,2, Xiaotong Zhao1,2, Wanxia Huang1,2, Yizhe Sun3, Yujie Wang3 and Kexiu Dong3* 1 Anhui Province Key Laboratory of Photo-electronic Materials Science and Technology, Wuhu 241000, China; 2 College of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241000, China; 3 School of Electronic and Electrical Engineering, Chuzhou University, Chuzhou 239000, China Abstract: How to excite the nonlinear optical effect in the case of low threshold (mW or pJ order) and small scale (μm or less) is a topic field of optical research in recent years. The most direct application requirement is photonic integrated circuit, which is the foundation to realize the ultra-high speed and large capacity information network in the future. Photonic crystals (PCs) have the photonic band gap (PBG) just like the semiconductor band for electronics, so it is known as "photonic semiconductors". PCs provide a novel and practical means of manipulating photons, therefore the possibility of photonic integrated circuit with low threshold arises. More and more nonlinear effects have been found in PCs, such as photonic crystal slow light, the band gap soliton, electromagnetic induction transparency, second harmonic generation and optical bistability. This paper will focus on the summaries of some major achieve-ments and advances about PCs that would promote the nonlinear photonic integrated devices. Certainly the related applications will be introduced and the future outlook of the nonlinear PCs will be discussed. Keywords: photonic crystals; nonlinear optical effect; nonlinear integrated optics with low thresholds; photonic in-tegrated devices DOl:10.3969/j.issn.1003-501X.2017.03.004 Citation: Opto-Elec Eng, 2017, 44(3): 297-312 收稿日期：2016-12-04；收到修改稿日期：2017-01-20 *E-mail:kexiudong@https://www.360docs.net/doc/2315698074.html, 297 万方数据
光子晶体的制备及其应用.
简述光子晶体的制备及其应用 摘要：简单介绍了光子晶体，光子晶体的理论分析方法，简述了光子晶体在光传感的应用，空心光纤的简单介绍。 关键词：光子晶体简介，光子晶体的制备，光子晶体理论分析方法，光子晶体的应用，光传感，空心光纤1.简介]1[ 光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。 从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 2.制备和理论分析方法]2[ 2 . 1有效折射率方法 B i r k s等人最早研究光子晶体光纤时，将其与传统的阶跃折射率光纤类比， 提出了等效折射率模型，主要用于解释全反射型光子晶体光纤的单模特性，并指 出对于光子晶体包层空气孔比较大的情况下不能使用此方法，而且很少用于分析 光纤的色散特性，主要原因是一般认为其精度比较低。但也有文章表示，等效折 射率模型可以进行模式特性、传输常量、模场分布、功率限制特性、瑞利散射损 耗特性、色散特性等等，同时结果精度较好1 4 5 - 4 8 1 。其计算方法的主要等效步骤如 图2 . 3 . 1 所示。
光子晶体传感器——开题报告
1.研究的背景和意义 1.1光子晶体的发展背景及意义 微波波段的逞隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。 1.2光子晶体传感器的优点 光子晶体传感器是利用光子晶体的特性做城的传感器。光传感器由于具有不受电磁干扰、灵敏度高等优点，已引起人们的广泛兴趣。新型光学微传感器能够准确测定周围介质的物理、化学、生物性质，它的设计对于实际应用和科学研究具有重要意义。 2.国内外研究的现状： 3.拟采取的解决方案； 与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。因而光子带隙的变化可以从光的频率的变化上反映出来，从而反映出外界环境的变化。 4.预期得到的结果、 我们希望通过一系列的调查研究探索，能够选择合适的材料，通过软件和合适的算法来分析出材料的光子晶体带隙结构及其受到外界环境影响时的变化规律，根据此规律提出一种理论上可行的光子晶体传感器的方案。并通过软件仿真等手段，验证此方案的准确性。5.课题进度计划 三月份：确立研究方向，根据以前所搜集的资料，研究内容，目标方法，步骤和进度做出开题报告。 四月份：分析材料结构，根据调查、分析所得的数据作出以后研究、设计的流程图。