光学论文 光子晶体的研究
物理光学论文题目光子晶体的制备与应用院系英才学院学号7111900302姓名张一博日期2012、10、31摘要本文介绍了基本光子晶体、二维光子晶体以及复合结构光子晶体的制备。
光子晶体具有许多不同于单组分胶体粒子的独特的光、电、磁、催化等物理与化学性质, 是构筑光子晶体材料的重要组元。
从材料复合的不同形式阐述了复合结构光子晶体的制备方法; 列举了光子晶体器件的典型应用, 综述了光子晶体的主要用途; 并展望了复合结构光子晶体的发展方向。
关键词：光子晶体；二维光子晶体；复合结构光子晶体；制备；功能；应用AbstractThis paper introduces several kinds of photonic crystals such as two-dimension photonic crystal and compound-photonic crystal. Then the paper talks about some ranges to use these photonic crystals.Keywords: photonic crystal, two-dimension photonic crystal, compound-photonic crystal, use.1 引言光子晶体的出现，为信息技术新的飞跃提供了一次历史性的机遇。
正如20世纪中叶半导体的发现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响一样, 光子晶体的研究、开发和应用可能在未来若干年世界经济的发展提供一个新的生长点。
光信息技术是信息化社会的主要技术支撑。
目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之上的微电子技术。
由于强烈的需求, 微电子技术以惊人的速度发展。
根据摩尔定律, 半导体元件的集成度以每18个月翻一番的速度发展, 电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限(如速度极限、密度极限), 这些不可逾越的技术极限对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。
以光子代替电子作为信息的载体是长期以来人们的一个共识, 因为光子技术具有高传输速度、高密度及高容错性等优点。
然而, 由于光子不像电子一样易于控制, 长期以来, 光信息技术仅仅在信息传输(光通信)中得到应用, 而且是最基本的信息功能。
而信息处理的核心部分则依然依赖微电子技术。
2 光子晶体的制备2.1 基本光子晶体制备能使得红外光与可见光反射的光子晶体, 其晶体之晶格大小约为波长的1 /3到1 /2左右, 相当于200- 500纳米。
要以人工的方式制作这样周期大小的光子晶体, 一种方式是使用比传统微米级更优良的曝光显影技术；另一种方式则是以成长、沉积或化学合成的技术, 建构薄膜或纳米颗粒。
拜纳米科技之赐, 我们得以在光子晶体理论发展的同时,以人工的方式, 建构能使红外光与可见光反射的光子晶体, 才能使光子晶体的研究得以蓬勃发展。
已经发展许久的薄膜科技便是光子晶体的基本技术, 以两种以上的薄膜交互成长所构成的多层膜称为一维光子晶体。
如果于平面的基材上挖洞, 所形成的孔洞以类似矩阵的周期形式排列, 便可建构二维光子晶体。
若将二维的周期性结构加以堆积, 便成为三维光子晶体。
一维的光子晶体(即为多层膜结构) 用于传统光学中已有数十年的历史。
二维与三维光子晶体, 便是从纳米制程技术成熟之后, 才逐渐伴隨著光子晶体的理论一起发展起来。
基本上由于二维光子晶体的光局限效应有限, 光能量便不容易局限于光子晶体当中。
故三维光子晶体便可能是未来元件实际制作的基本架构。
目前三维光子晶体的建构方法, 一种是以电子束显影法制作柵栏状的结构, 再加以堆积形成网格状的结构。
其制作方法繁杂, 堆积的对准也是一个挑战, 但此方法可精确设计晶格缺陷的大小与位置, 元件制作的可重复性较高,但时间与成本均相当可观。
另一种陷制作于光子晶体当中。
此外, 三维光子晶体也比二维光子晶体多了一个空间自由度, 因此, 三维光子晶体的研究仍有相当大的发展空间。
如图2所示即为三维光子晶体之应用例子。
在1991年, Yablonovich制作了第一块光子晶体。
他所采用的方法是在折射率为3. 6 的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm 的孔, 并呈周期性分布。
这种材料从此被称为Y ablonovich0, 它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。
方式是以聚苯乙烯或SiO2所合成的小球加以堆积,此方法可堆积较厚的三维光子晶体结构, 制作速度与困难度也相对低了許多。
但此方式仍无法依据设计将晶格缺2.2 二维光子晶体的制备光子晶体的晶格尺寸与光波波长相当, 因此禁带中心位置的波长越长, 光子晶体越易制造。
微波波段的光子晶体晶格常数在毫米量级, 用机械加工的办法可实现。
如图1 所示, 把直径为毫米量级的介质柱相互平行排成阵列, 或者在介质基底上打孔形成相互平行的空气柱列, 当微波在平行于圆柱轴线的平面上传播时, 就会形成光子带隙。
最早的二维光子晶体就是如此制作的。
近年来, 研究者利用现有的半导体器件制作工艺, 制备了光子禁带在可见一红外波段的二维光子晶体,其方法是通过光刻预先引入一定图案, 形成特定的晶系。
目前, 二维光子晶体的晶格多采用四方晶系、六角晶系和三角晶系。
其中, 三角晶系受制造不均匀性的影响较小, 易出现完整的光子禁带。
但是,三角晶系中要得到完整的禁带, 必须保证足够的空隙率，孔的形状对带隙结构也有影响, 圆形, 六角形, 三角形, 四方形的孔所形成的带隙结构中, 只有圆孔构成的晶格具有显著的完全禁带。
光子晶体是由不同介电常数的介质材料周期性排列构成的材料, 而二维光子晶体是利用介电常数为1 的空气与其他介电常数较大的材料形成周期性的变化, 可分为空气柱型和介质柱型; 下文将分别简要介绍这两种类型光子晶体的制备方法。
2.2.1 空气柱型光子晶体2.2.1.1化学辅助离子束腐蚀法以501(silieon-on-insulator)片为基板, 图案先用电子束平板印刷在PMM A (聚甲基丙烯酸甲醋) 上,然后用CAIBE(化学辅助离子束腐蚀) 转移到Si上,形成空气柱型光子晶体。
采用这种方法, 能够获得200-700nm的晶格常数, 制备出PBG 位于可见-近红外区间的光子晶体。
2.2.1.2 电化学腐蚀法用标准平板印刷及碱腐蚀得到有序的腐蚀坑,在此基础上用电化学腐蚀得到规则排列的孔, 然后用氧化和HF腐蚀进行扩孔, 对PBG的中心波长进行调整, 而光子带隙的分布则由填充因子和介电常数比决定。
这种方法制备的二维光子晶体中, 宏孔多孔硅最为典型。
由于硅材料介电常数大, 而且宏孔多孔硅径深比大, 十分适用于制作二维光子晶体。
一般采用中等掺杂浓度n型晶向的硅片, 可以形成孔径为微米级的宏多孔硅, 最终得到禁带位于中红外波段的光子晶体。
2.2.2 介质柱型光子晶体介质型光子晶体是空气柱型光子晶体的反结构, 一般采用三角或四方晶系。
以金属团聚为核心做自形成腐蚀模, 低温下在SixFy气氛中用ECR(电子回旋加速共振传)腐蚀, 得到深径比很大的结构,制备出光子晶体。
2.3 复合结构光子晶体的制备合成复合结构光子晶体的方法大致分为3种：湿法, 主要在液态中进行, 如化学沉淀和电沉积；干法，主要是气相反应；物理方法，向SiO2或聚合物胶体晶体空隙中注入熔融态材料或纳米粒子的悬浮液, 一般要考虑到胶体晶体模板本身的特点, 如聚合物不能在高温过程中使用, 二氧化硅胶体晶体则无需考虑这点。
复合的形式主要有两类: （1）先制备出复合型胶球( 核壳型、空心型或均匀复合型),然后再组装形成有序结构;（2）在已组装的胶体晶体周围空隙中填入新的功能组分。
2.3.1复合型胶球制备合成固态复合型胶球的方法主要有两种: 在核表面直接进行反应或聚合沉积; 在核表面吸附已经合成的粒子。
（1）核表面直接进行反应或聚合沉积在多种无机或聚合物粒子的核表面可直接或经修饰特殊基团后包覆另外的组分即壳层。
Ian D.Hosein 等利用改进的化学浴沉积方法, 使硝酸锌与硫代硫酸钠在PS小球表面直接合成ZnS, 制得PSZnS核壳结构材料, 其核壳尺寸分别为356nm和63nm, 并组装成胶体晶体。
Unyong Jeong 等以单分散性球形SeAg2Se核壳结构为模板, 利用阳离子交换反应获得SeCdSe 核壳结构复合材料, 由于其单分散性良好且折射率较高, 故可用来组装成宽禁带强吸收峰的光子晶体。
（2）核表面吸附粒子首先合成出粒径较小的纳米粒子, 然后通过与较大粒径胶粒相互间的静电作用自组装为核壳结构。
利用层层叠加技术（LBL) 可以在胶粒的表面形成纳米多层膜。
Kyungkon Kim等利用该技术将高分子聚合电解质吸附在280nm 的SiO2表面上, 制得核壳结构光子晶体, 并可以通过吸附多层来控制光子晶体的发光性能。
3 光子晶体的应用光子晶体具有光子带隙和光子局域的特征, 使其在光电子器件和通信领域有着广泛而重要的应用。
光子晶体的有序多孔性和光子带隙的可调节性, 可以用来制作各种类型的传感器。
光子晶体的结构颜色和莲花效应, 可以用来制备装饰材料、仿生材料和自清洁材料。
近年来光子晶体的应用研究也主要是从以上三个方面展开。
下面列举几个光子晶体的典型应用。
3. 1高效率发光二极管向光子晶体中引入微腔, 在光子带隙中会产生特定的缺陷态。
在适当的微腔结构下, 微腔将只对应于单一的电磁模式。
把发光二极管置于光子晶体中, 二极管所发出的光都将进入此单一模式, 从而射出的光将具有极好的单色性和方向性。
由于光在材料内部的反射和散射被抑制, 光能全部到达体外。
意大利研究小组利用SOI核壳结构镶嵌掺Er3+ 纳米晶粒所构成的Si 基光子晶体结构, 获得了Er3+ 在室温下的1.54m 强光发射, 与通常掺Er3+的 Si 基纳米结构相比, 发光强度增加了近 250 倍。
另外, 他们设计并制作了光子晶体 Si 纳米团簇发光二极管, 其光发射效率比传统的Si 基纳米结构发光二极管提高了 4 倍。
这些结果显示出, Si 基光子晶体在未来的Si 基高效率发光器件中具有不可限量的应用前景。
3.2 光子晶体激光器随着元器件的不断微型化, 半导体激光器由于体积的相对庞大, 慢慢地不能适应需要。
同时, 由于自发辐射的存在, 激光射出的方向总会与自发辐射的方向成一定的角度, 这样只有在驱动电流达到一定阈值时才能产生激光。
但如果在激光器中引入一带有缺陷的光子晶体, 使缺陷态光波导与激光射出的方向成同一角度, 自发辐射的能量几乎全部可用来发射激光, 这将大大降低激光器的阈值。
2000 年制得了以电流驱动的光子晶体激光器, 虽然这种光子晶体激光器的阈值仍然达到300微安, 但为以后的研究提供了借鉴。
光子晶体的研究及其应用
光子晶体的研究及其应用光子晶体是指空间微结构周期性排列形成的光子带隙材料，这种材料具有特殊的光学性质。
光子带隙是指在一定频率范围内光子无法通过材料的性质，也即晶体对该频率的光波进行反射或吸收。
这种特殊性质让光子晶体成为一种重要的光学材料，在传感、通信、光学器件等领域具有广泛的应用前景。
一、光子晶体的发现光子晶体的研究起源于19世纪的布拉格散射现象。
20世纪80年代，在半导体技术的基础上，研究人员开始尝试制备光学晶体。
1992年，来自日本冈山大学的研究人员首次报道了用二氧化硅微球制备的三维光子晶体，引起了学术界的广泛关注。
此后，光子晶体研究迅速发展，不断涌现出各种新型材料和制备方法。
二、光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要包括自组装法、光刻法、原子层沉积法等多种方式。
其中，自组装法是其中最为常用的方法之一。
通过自组装技术，在介孔材料中添加有机分子和水，利用溶剂挥发和多种相互作用力的复合效应，可制备出具有周期性结构的光子晶体。
三、光子晶体的应用光子晶体的应用非常广泛，包括传感、通信、光学器件等多个领域。
1. 传感：光子晶体在传感领域的应用主要体现在生化传感和环境监测。
利用气敏材料、生物分子等将较小的变化转化为对光子晶体的微观结构和大小的影响，从而实现对较小物理量的测量和监测。
例如，利用光子晶体制备的生物芯片可实现对一系列生物分子的灵敏检测，具有在诊断和治疗等方面的广泛应用前景。
2. 通信：在通信领域，光子晶体可以作为光学滤波器来实现光信号的选择和放大，并可用于光纤通信系统、微波光子学等多种场合。
例如，利用光子晶体制备的微腔可实现高质量光学微腔，可在通信系统中用于调制、开关、振荡等多种操作。
3. 光学器件：最新的研究表明，在光学器件中，光子晶体可被应用于光电子集成领域，使光电器件变得更加紧凑和高效。
例如，利用纳米级光子晶体制备的激光器，可实现更高的输出功率和较低的阈值电流。
据估计，这些性能优良的光学器件未来可能取代现有的微电子器件，成为下一代高速处理和信息传输系统的核心。
光子晶体中的拓扑光学研究
光子晶体中的拓扑光学研究随着科技的不断发展，光子晶体作为一种新型材料受到了广泛的关注。
光子晶体是一种以周期性的光学介质结构为基础的人工晶体，具有独特的光学特性和丰富的应用潜力。
其中，拓扑光学作为光子晶体领域的研究热点之一，对于深入理解光子晶体中的光学行为和设计新型光学功能材料具有重要意义。
一、光子晶体介绍光子晶体是由排列有序的光学介质构成的人工材料。
与晶体中的原子周期性排列类似，光子晶体中的光学介质也按照周期性的排列方式组织，并通过调整周期、材料折射率等参数来调控光的传播性质。
光子晶体具有禁带结构、能量带隙和散射特性等独特的光学特性，使得它在光学过滤、光波导、能量调控等方面有着广阔的应用前景。
二、拓扑光学的基本概念拓扑光学是一门研究光的输运与调控的前沿学科，其核心内容是应用拓扑理论解释和设计光学行为。
在传统的几何光学中，光的传播路径并不会发生改变，而在拓扑光学中，光的传播路径是可以调控的，并且能够发生奇特的拓扑相变现象。
通过引入拓扑概念，可以实现在光子晶体中实现光的隐蔽传输、无损损耗传输等重要功能。
三、光子晶体中的拓扑性质光子晶体中的拓扑性质主要表现在两个方面：宏观的边界态和微观的布里渊区拓扑。
宏观的边界态是指光子晶体边界上存在的局域模式，其能量由于边界的特殊几何形状和光子晶体内部的禁带结构而存在。
这些边界态可以在光子晶体中实现无损传输，并有助于实现高效的光学信息处理。
布里渊区是描述光子晶体内部光传播特性的一个空间。
在布里渊区中，拓扑态与能带结构的拓扑不变性相关联，这些拓扑特性决定了光的传播行为和光学效应。
四、应用前景与展望光子晶体中的拓扑光学研究在信息通信、光学传感、光电器件等领域具有广泛的应用前景。
例如，利用光子晶体中的拓扑边界态可以实现无损耗的光波导，并且具有防御器件散射和损耗的能力。
此外，拓扑光学还可以用于光电器件的设计，如高效的太阳能电池、高速光学开关等。
随着技术的不断进步和对光子晶体理解的深入，光子晶体中的拓扑光学必将在更多的领域展示其巨大的潜力。
光子晶体光学中的理论及应用研究
光子晶体光学中的理论及应用研究光子晶体是一种可以控制光的传播和吸收的材料，又称为光学晶体、光学超晶格或光学准晶体。
与传统晶体不同的是，光子晶体的周期性结构是微米尺度的，能够调制光子的传播速度和吸收强度。
在光子晶体中，光子的波长与周期结构的特征尺度相当，因此光子晶体不仅可以实现光子的光学调制，还可以用作滤光器、反射镜、光晶体、光波导等光学元件。
光子晶体的理论基础光子晶体的理论基础是布拉格衍射理论和布洛赫定理。
布拉格衍射理论是描述晶体中能量的传播和衍射的基本原理，而布洛赫定理是描述具有周期性结构的物质中电子的行为的基本原理。
光子晶体的周期性结构形成了禁带区间，使得只有在某些频率范围内的光子才能通过，这一特性使得光子晶体可以用作调制器、滤波器、传感器等光学元件。
同时，由于光子晶体的周期性结构具有很高的对称性，其相干光可以平行或垂直于晶体表面传输，这一特性使得光子晶体可以用作光波导、反射镜等光学元件。
光子晶体的制备方法目前，制备光子晶体的方法主要包括自组装法、光刻法、电子束曝露法、离子束刻蚀法、微力学加工法等。
自组装法是利用分子自发排列形成具有周期性结构的方法。
这种方法适用于制备微米尺度的光子晶体，但其制备成本较低，在生物医学和环境监测等领域得到广泛应用。
光刻法则是利用半导体工艺技术，在半导体芯片上制作具有周期性结构的光罩，再利用这个光罩将周期性结构转移到光子晶体材料上。
这种方法适用于制备宏观尺度的光子晶体，但其制备成本较高。
电子束曝露法、离子束刻蚀法、微力学加工法则是利用离子或电子束对光子晶体的表面进行雕刻来制备光子晶体，这些方法制备出来的光子晶体具有非常高的精度和完美度，但是制备成本较高，只适用于高端领域的应用。
光子晶体的应用光子晶体的应用非常广泛，涉及到生物医学、环境监测、能源、通讯、信息储存等诸多领域。
在生物医学领域，光子晶体可以用来制造新型的诊断和治疗设备，如光子晶体传感器、药物控释系统、光控细胞培养箱等。
光子晶体的制备及其光学性质研究
光子晶体的制备及其光学性质研究光子晶体是一种由周期性介质构成的结构，具有准晶体的特征，其晶格常数与光波长相近，从而产生了许多新的光学性质。
光子晶体的制备和研究已经引起了广泛的关注，目前已在光学通信、光子学、生物医药等领域得到了广泛的应用。
光子晶体的制备通常采用光刻、溅射等传统微纳加工技术，在这些技术的基础上，还有一些独特的技术方法，例如：自组装法、模板法等。
其中最为常用的是自组装法，它可以通过溶液自我排列的方式，形成一定规律的周期性结构。
多孔硅、有机胶、亚铁氰化钾等都是常见的自组装材料。
自组装法的基本原理是自发的相互作用，其构成如下：上下两层碟状纳米粒子在液体中相遇，吸附在一起形成一层紧密排列的有序单层，每个单层之间的距离恒定，从而形成了所需的周期。
这一过程既可以在溶液中进行，形成溶胶中的光子晶体，也可以在罩板上进行制图、曝光和刻蚀，形成刚性光子晶体。
刚性光子晶体通常用于自发发光、光子晶体光纤等高精密度应用，以及光控光器、美工石等领域。
光子晶体研究中最有趣的性质之一是灰暗波导带。
这项研究是由隆纳德·维克尔斯（Ronald W.P. Drever）和他的同事在20世纪八十年代提出的。
灰暗波导带是指光子晶体中一个难以辨别的窄带传播模式，其产生是由它的几何结构所决定的。
灰暗波导带的存在对于光子晶体的应用具有重要意义，它可以提供种种利用波导传输激子的方法。
由于灰暗波导带特别窄，因此它的光子模式不能以任何形式的缺陷，例如几何、位置、长短程制造上的不完美或工具精度的不良误差来被支撑。
这意味着光子晶体制造的过程必须非常精细，以确保灰暗波导带的存在。
除了灰暗波导带之外，光子晶体还具有许多其他的光学性质。
例如全反射和禁带等。
禁带是指在特定波长范围内的光子晶体中会出现带隙，即光线无法以特有角度穿过晶体，从而避免波带的传输。
禁带广泛应用于光学通信领域，高通量光纤也是基于禁带的原理来实现的。
光子晶体的应用领域包括光学通信、光子学、生物医药、化学、新能源等。
光子晶体光学性质及应用研究
光子晶体光学性质及应用研究光子晶体是一种周期性的光学介质，它能够控制光的传播和电磁波的频率。
因此，它被广泛应用于光子学、奈米技术和量子物理学等领域。
本文将探讨光子晶体的光学性质及其应用研究。
一、光子晶体的结构光子晶体又称为光子晶体体系，它是一种三维的微结构，由两种或多种折射率不同的材料交错排列而成。
其周期性的结构可与X射线衍射图谱相容，这使得光子晶体结构更加稳定。
光子晶体的周期性结构可被描述为一个具有周期性类型的反射格子。
当光子进入晶体时，光子会受到结构的限制而无法传播，因此，光子晶体被称为光子带隙材料。
光子晶体的带隙材料限制了光子在晶体中的传播，并阻碍了将光子从材料中释放出来。
二、光子晶体的光学性质1. 带隙结构带隙结构是光子晶体最重要的光学性质之一。
当光子晶体的周期性结构与光子波长相当时，晶体的折射率会变化，光子波长会被阻碍，因此，光子波长不能穿过晶体。
这种阻碍被称为带隙。
光子晶体的带隙结构比普通晶体的带隙结构更加独特。
2. 带隙的调节带隙可以通过改变光子晶体的结构而调节。
调节可以通过改变晶体的格子常数、导入分子缺陷或添加金属粒子等方式实现。
3. 光效应光子晶体可表现出一些特殊的光效应，例如衍射、散射、透射和吸收。
这些光效应可用于制造新型的传感器、光学滤波器和光学开关等。
三、光子晶体的应用1. 光学控制器件光子晶体可制造出一些特殊的光学控制器件，例如光学调制器、光学滤波器、光谱成像器和光波导器等，这些控制器件在光通信和光计算等领域有广泛的应用。
2. 光子学传感器光子晶体中的局部折射率变化可用于制造高灵敏度的光子学传感器。
光子学传感器可在生物医学、环境监测和工业制造等领域中有很多应用。
3. 太阳能电池光子晶体中的带隙结构可用于制造太阳能电池。
由于光子晶体的带隙特性，它能够有效地增强太阳电池的光吸收效果，从而提高太阳电池的转换效率。
四、结论光子晶体是一种光学介质，它具有周期性的结构和调节带隙的能力。
光子晶体光学的研究及应用
光子晶体光学的研究及应用光子晶体光学是一门以光学为基础的研究学科，它围绕着光子晶体的结构和性质展开。
光子晶体是一种由周期性的介电常数或电导率分布组成的结构，其晶格常数和介质常数的尺度与光波长相当。
通过控制光子晶体的结构和形态，可以实现对光的传输、反射和折射的控制，进而实现一系列的光学应用。
在光子晶体光学研究领域，光子晶体的制备技术是其中一个重要的研究方向。
这种技术涉及多种材料的制备和处理，包括有机材料、无机材料、聚合物、硅等。
通过现代制备技术的发展，研究者们已经可以制备出复杂的光子晶体结构，并控制其光学性质。
光子晶体的应用范围非常广泛，涵盖了光通信、生物医学、传感器、光学计算等领域。
以下几个方面可以进一步说明光子晶体光学的研究和应用意义。
1. 光通信：在传统的光通信中，采用的是光纤传输的方式，传输距离较远时，会带来信号衰减和传输损耗的问题。
而光子晶体在光通信中的应用，可以实现光的引导和传输的控制以及干涉，从而解决了信号衰减和传输损耗的问题。
此外，光子晶体还可以实现光的集成和多通道选择，因此被广泛用于光通信设备的研究和制备。
2. 生物医学应用：生物医学中常用光子晶体作为生物传感器。
通过固定生物分子和光散射或反射的方式，可以检测到生物分子的存在和浓度，从而实现快速检测和诊断。
另外，光子晶体还可以应用于生物成像和治疗。
通过利用光子晶体的穿透和反射性质，可以实现高分辨率的生物成像，同时也可以实现精密的光学治疗。
3. 光学计算：光子晶体可以用于光学计算器的研究和制备。
光子晶体的结构可以被视为是一个微型的光学元件阵列，通过制备不同的结构和形态，可以实现不同的光学特性。
因此，光子晶体可以被用作光学计算元件，应用于光学计算、光学逻辑和数据存储等领域。
总之，光子晶体光学的研究和应用，涵盖了科学、工程、医学和生物等多个领域。
在未来的发展中，随着制备技术和性能的不断提高，光子晶体光学将会得到更广泛的应用和发展。
光学论文 光子晶体的研究
物理光学论文题目光子晶体的制备与应用院系英才学院学号7111900302姓名张一博日期2012、10、31摘要本文介绍了基本光子晶体、二维光子晶体以及复合结构光子晶体的制备。
光子晶体具有许多不同于单组分胶体粒子的独特的光、电、磁、催化等物理与化学性质, 是构筑光子晶体材料的重要组元。
从材料复合的不同形式阐述了复合结构光子晶体的制备方法; 列举了光子晶体器件的典型应用, 综述了光子晶体的主要用途; 并展望了复合结构光子晶体的发展方向。
关键词：光子晶体；二维光子晶体；复合结构光子晶体；制备；功能；应用AbstractThis paper introduces several kinds of photonic crystals such as two-dimension photonic crystal and compound-photonic crystal. Then the paper talks about some ranges to use these photonic crystals.Keywords: photonic crystal, two-dimension photonic crystal, compound-photonic crystal, use.1 引言光子晶体的出现，为信息技术新的飞跃提供了一次历史性的机遇。
正如20世纪中叶半导体的发现对此后半个世纪世界经济产生巨大影响一样, 光子晶体的研究、开发和应用可能在未来若干年世界经济的发展提供一个新的生长点。
光信息技术是信息化社会的主要技术支撑。
目前信息技术的核心是建立在半导体材料基础之上的微电子技术。
由于强烈的需求, 微电子技术以惊人的速度发展。
根据摩尔定律, 半导体元件的集成度以每18个月翻一番的速度发展, 电子和微电子技术正在走向物理上和技术上的极限(如速度极限、密度极限), 这些不可逾越的技术极限对信息技术的进一步发展提出了重大挑战。
光子晶体结构的光学性质研究
光子晶体结构的光学性质研究光子晶体是一种结构类似于晶体的物质，它不是通过某种原子或分子的排列形成，并且没有相应的电子能级结构。
光子晶体的结构是由周期性排列的介电常数构成，具有光子禁带结构。
光子晶体可以通过控制晶体结构来调节它的光学性质。
近年来，光子晶体的研究成为了光学领域的一个热点。
本文将介绍光子晶体结构的光学性质研究进展及其应用。
光子晶体的光学性质光子晶体的光学性质主要是由光子禁带结构决定的。
它具有一个带隙，可以阻挡特定波长的光从物质中穿过。
当反射光的波长位于光子禁带中，它不能通过光子晶体，只能被反射或散射。
因此，光子晶体更像是一个“光子导体”。
光子晶体的光子禁带结构可以通过多种方式调节。
通过控制晶体结构的周期性，可以调整带隙的大小和形状。
另外，材料的介电常数也可以通过温度、电场、压力等手段来改变，从而控制带隙。
光子晶体的制备方法主要有两种：自组装和微加工。
自组装法是通过化学反应或物理吸附等方式，使介质微球自发地形成周期性排列的结构；而微加工法则是通过光刻和薄膜沉积技术等高精度工艺，制备具有规则结构的光子晶体。
光子晶体的应用光子晶体的研究应用非常广泛，主要包括光通信、光电显示、光电传感、光子计算等领域。
在光通信领域，光子晶体微环和光子晶体纤维等设备被广泛应用于光通信材料和器件的制备过程中。
光子晶体纤维具有准分子激光器的特性，个性化调控构成的不同形状和大小，能感受各种化学成分，以及在医学中的生物检测方面的潜在应用。
在光电显示领域，光子晶体的制备技术被用于制造具有超高清晰度和超宽色域的光电显示器件。
光子晶体显示器件因具有富有光学效果的优势，正在成为液晶显示器的最优替代选择。
在光电传感领域，光子晶体由于其特殊的结构和光学性质，可用于制造光学传感器、化学传感器、压力传感器、水分传感器等多种传感器，可广泛应用于各类环境检测、医疗诊断、食品安全等领域。
在光子计算领域，光子晶体被认为是实现光子集成电路的有力工具。
光子晶体的制备及光学性质研究
光子晶体的制备及光学性质研究光子晶体是指一种具有周期性介电常数分布的材料，其晶格常数大于光的波长。
光子晶体通常由多种不同折射率的材料间隔排列而成，形成的结构可以对特定波长的光进行选择性反射或透射，产生光子带隙。
近年来，光子晶体在光学通信、激光器、光电子学等领域得到广泛应用。
本文将介绍光子晶体的制备及光学性质研究。
一、光子晶体的制备方法1.自组装法自组装法是通过凝聚态物理学中的自组装现象得到光子晶体。
一般使用像微球、纳米颗粒等这种小尺寸颗粒，以组装出米级的光子晶体。
这种方法存在成本低廉、效率高、易于扩大规模等优点。
其中最具代表性的自组装法是线性定向积累（LOM）方法。
在这种方法中，聚合物球体在有序堆积的基础上沿定向晶化的方向逐个叠加而成。
2.模板法模板法是一种方法，通过将孔隙复制到被制备物中来制备光子晶体。
首先将大分子入侵到有序孔隙结构中，然后通过溶剂蒸发或凝聚修饰晶体，最后得到晶体。
这种方法优点在于可以制备一些大型光子晶体，但是缺点也很明显，主要就是制备时比较复杂，可以使用的材料种类也比较少。
3.直接制备法直接制备法是通过一些成熟技术和新的光学技术，直接制造出具有光子结构的材料。
这种制备方法速度快且可以快速更改我们所制作的晶体的结构。
这种方法在生物医学领域和纳米级制备方面有用，可以制造出很多奇妙的东西。
二、光子晶体的性质1.布拉格反射布拉格反射是指发射到晶体上的光束将射回原目前的方向。
这种现象发生的原理是光子晶体可以对特定波长的光进行强烈的反射，而大多数波长的光都通过了晶体。
另外，布拉格反射是一种高精准成像技术的基础，诱导了许多成像技术的发展。
2.光子带隙当光子晶体的晶格尺度与光波长相近时，就会出现光子带隙。
光子带隙是指光子在光子晶体中传播时遇到能带分离的现象，它具有波长选择性。
由于禁带存在，显然，在某些波长的范围内，光子是不能穿过晶体的，因此可以产生模式选择。
这种现象把光子晶体与普通的光学晶体区分开来。
光子晶体光学性质的研究与应用
光子晶体光学性质的研究与应用光子晶体是指由周期性结构排列的等离子体或介质构成的光学纳米材料。
由于其具有特殊的物理性质，光子晶体被广泛应用于光子学领域。
其中，光子晶体的光学性质是研究的重要内容之一。
一、光子晶体的光学性质光子晶体是一种在长波极限下具有周期性结构的光学材料，其类似于晶体对于电子的控制能够控制光子在其中传播的性质。
它在光子学中的应用主要体现在其对于光的传播和调制上。
由于周期性结构的存在，光子晶体具有禁带结构。
这意味着，当光的波长与晶体结构的周期相匹配时，光子晶体中会有波长的范围无法传播 --- 这就好比晶体的禁带不能传导电子。
目前广泛应用的光子晶体主要是二维光子晶体和三维光子晶体，它们的禁带宽度取决于晶格单位元的大小和结构形态。
在光子晶体中，光的传播速度比真空中的速度要小。
这是由于光子晶体中周期性结构所带来的相互作用所致。
因此，当光在光子晶体中传播时，会发生全反射和折射。
二、光子晶体在光学器件中的应用光子晶体材料的独特的特性使得它在光学器件方面具有普遍的应用，并且发展了很多种运用。
在这里，我将介绍几个常见的光学器件应用。
1、光纤传输光子晶体纤维是一种包含了光子晶体孔洞结构的非线性光学纳米材料。
它具有光子晶体的禁带结构，能够对光信号进行控制和调制。
利用光子晶体纤维可以实现长距离光信号传输，而且比普通光纤有更小的波导损耗。
2、激光利用光子晶体的禁带结构可以实现激光放大，这样的激光还具有超材料的性质。
通过控制光子晶体的结构可以实现激光的频谱调制和振荡颜色选择，同时提高激光的发射效率。
还有一种光子晶体光纤激光器，这个新型激光器的光纤中的光子晶体孔洞结构可以发挥更加控制频率和乘法振荡的能力。
3、传感器光子晶体传感器可以检测一些物理量和化学物质。
例如，一种研究表明光子晶体传感器可以通过破坏光子晶体的周期性结构而改变它们的光学特性来检测生物分子的结构。
在石墨烯中嵌入光子晶体的方式是制造实际使用的光子晶体传感器的一种方法，因为石墨烯具有优越的光学特性。