光子晶体原理与应用
光子晶体的原理与应用
光子晶体的原理与应用概述光子晶体是一种由周期性改变介电常数分布而形成的结构，具有能带结构类似于电子在晶格中的运动。
光子晶体能够控制光的传播和波长选择性，因此在光学领域具有广泛的应用前景。
光子晶体的原理光子晶体的原理基于周期性调制介电常数分布。
通过改变材料的周期性结构，可以实现光子晶体的禁带带隙效应，即在一定频率范围内，光的传播被完全阻止。
光子晶体的禁带带隙可以通过调节结构的周期、材料的折射率以及填充材料来实现。
光子晶体的禁带带隙效应是由几何光学效应和电磁场的相互作用相结合而产生的。
在光子晶体中，光通过周期性结构时，会出现在特定频率范围内的相干散射。
这种相干散射会导致光的传播被阻挡，从而形成禁带。
禁带带隙的宽度取决于周期性结构的参数，包括晶格常数、材料折射率以及填充材料等。
光子晶体的应用光子晶体的光学波导光子晶体可以实现光的传输和波导效应。
在光子晶体中，通过调节光子晶体的周期性结构，可以实现光的导向和控制。
光子晶体光波导可以用于构建高效的光耦合器、分束器、滤波器、光放大器等光学元件。
光子晶体光波导具有低损耗、高效率等特点，被广泛应用于光通信、光子芯片等领域。
光子晶体的传感器光子晶体由于其禁带带隙效应，可以实现光的滤波和波长选择性。
这使得光子晶体成为理想的传感器材料。
通过改变光子晶体的结构和填充材料，可以实现对不同化学和生物分子的敏感度。
光子晶体传感器可以用于检测环境中的气体、液体、生物分子等，具有高灵敏度、高选择性和实时监测等特点。
光子晶体的光学器件光子晶体的禁带带隙效应还可以用于设计和制造光学器件。
通过选择合适的晶格参数和材料，可以实现对特定波长和频率的光的调控。
光子晶体光学器件包括滤光器、反射镜、全反射镜、衍射光栅等。
这些光学器件具有高效率、高分辨率和高准确性的特点，并在光学测量、光通信等领域得到广泛应用。
光子晶体的激光器利用光子晶体的禁带带隙效应，可以实现低阈值、窄带宽的激光器。
光子晶体激光器在光通信、光信息处理等领域具有重要应用前景。
光子晶体光纤的研究
光子晶体光纤的研究光子晶体光纤是一种由光子晶体材料制成的光纤结构，具有一系列独特的光学和传输特性。
它相比传统的光纤，具有更低的损耗和更大的带宽，适用于光通信、光传感、光声学等领域。
在过去的几十年中，光子晶体光纤的研究取得了许多重要的进展，本文将对其中的关键问题进行综述。
首先，我们将介绍光子晶体光纤的基本原理。
光子晶体是具有周期性结构的光学材料，其周期往往与入射光的波长相当。
通过精确设计和控制光子晶体的结构参数，比如晶格常数、填充率等，可以实现对光的传输和控制。
在光子晶体光纤中，光的传输是通过光子晶体的周期性折射率变化引导的，从而实现低损耗和大带宽的特性。
其次，我们将重点介绍光子晶体光纤的设计和制备方法。
光子晶体光纤可以通过多种方法来制备，包括体外法、孔蚀法和结合法等。
其中，体外法是最常用的方法之一，其基本步骤是将光子晶体材料制备成光纤的预制坯料，然后通过拉伸和微调制得到所需的光纤结构。
在制备过程中，需要注意光子晶体的晶格参数和填充率对光纤性能的影响，以及如何实现精确控制和调节。
然后，我们将介绍光子晶体光纤的光学特性。
光子晶体光纤的光学特性主要是由光子晶体的结构和材料的选取所决定的。
光子晶体的周期结构可以实现对光的波长选择性传输，从而实现对光的色散和非线性效应的控制。
此外，光子晶体材料的选择也决定了光纤的损耗和带宽，常用的材料包括硅、玻璃、聚合物等。
通过设计和优化光子晶体光纤的结构和材料，可以实现对光纤的性能的控制和调节。
最后，我们将讨论光子晶体光纤在实际应用中的一些研究进展和挑战。
光子晶体光纤具有许多潜在的应用，例如高速通信、传感和光声学等领域。
在高速通信中，光子晶体光纤可以实现更高的传输速率和更长的传输距离，从而提高光纤通信系统的性能。
在传感方面，光子晶体光纤可以实现对温度、压力、化学成分等的高灵敏度测量。
在光声学中，光子晶体光纤可以实现对声波的传输和控制，为光声成像、光声治疗等提供新的可能性。
光子晶体的原理与应用
物 理实 验
Ｖ０１．２４ Ｎｏ．６
２００４年６月ＰＨＹＳＩＣＳ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＴＩＯＮ
Ｊｕｎ．，２００４
：＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＃＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ｊ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
光子晶体的原理与应用
宋清海，徐雷
（复旦大学信息科学与工程学院光科学与工程系，上海２００４３３）
３ 光子晶பைடு நூலகம்的制备
光子晶体在自然界是存在的，例如用来装饰
图５光子晶体的特性之一
的蛋白石（Ｏｐａｌ），还有一种深海老鼠身上的毛以 及一种特殊的蝴蝶翅膀上的粉，它们在不同的角 度反射不同波长的光．通过研究发现它们都是由 大小均匀的微米、亚微米量级的结构密堆积而成 的．参见图６～９．因为Ｏｐａｌ形式与后面讲到的小 球密堆积完全相同，因而暂且不提．但是，这些都 是粗糙的光子晶体，因为它们没有形成完全的禁 带．通过Ｍａｘｗｅｌｌ方程的求解可以发现，完全的 禁带的形成与大小同两种材料的折射率的差、填 充比以及排列方式有着密切的联系．一般说来，两 种材料的折射率差值越大，就越有可能形成光子 禁带，当两种材料的折射率差大于２的情况，可以 形成完全禁带．在自然界尚未曾发现此类的晶体． 因而实验研究使用的光子晶体必须经过人工制 备．
［４］Ｍｅａｄｅ Ｒ Ｄ，Ｂｒｏｍｍｅｒ Ｋ Ｄ，Ｒａｐｐｅ Ａ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｅｘ． ｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄ－Ｇａｐ ｉｎ ２ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ［Ｊ］．
头部‘２ ０｜． 其次在光纤传输时由于色散的影响很多时候
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９２，６１：４９５．
以及手机防护设备．对于微波我们知道大部分的
Ｓｏｌｉｄ·Ｓｔａｔｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ［Ｊ］。Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅ’
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材料的折射率是nb，厚度为hb，那么周期d=a+b，A、B总层数为N。
以AB材料进行仿真计算。
仿真程序clear allna=2.35;nb=1.38;ha=63.8e-9;hb=108.7e-9;yeta1=na;yeta2=nb;yeta0=1;bo=400:1:900;derta1=(2*pi*na*ha)./(bo*1e-9);derta2=(2*pi*nb*hb)./(bo*1e-9);num=length(bo);for j=1:num;Ma=[cos(derta1(j)),-i*sin(derta1(j))./yeta1;-i*yeta1*sin(derta1(j)),cos(derta1(j))]; Mb=[cos(derta2(j)),-i*sin(derta2(j))./yeta2;-i*yeta2*sin(derta2(j)),cos(derta2(j))]; Mab=Ma*Mb;N=10;M=Mab^N;Rfan(j)=abs((M(1,1)*(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*(yeta0)-M(2,1)-M(2,2)*(yeta0))./(M(1, 1) *(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*sqrt(yeta0)+M(2,1)+M(2,2)*(yeta0)))^2;endfigure(1);plot(bo,Rfan,'k');box on;首先，我们A材料的折射率为2.35，B材料的折射率为1.38，AB材料组成的光子晶体的介质层数为10层，进行了matlab仿真，得到如下的图形然后我们更改介质层数为20层：最后我们更改介质层数为30层：对比以上三个图我们可以看出，一维二元光子晶体的投射特性与组成光子晶体的介质层数有关，介质层周期越大，越有利于形成禁带。
光子晶体颜色变化的原理
光子晶体颜色变化的原理
光子晶体的颜色变化原理基于光的干涉与衍射现象。
光子晶体是一种由有序排列的微米尺度周期性结构组成的材料，其结构和物理性质具有光学禁带结构。
当入射光与光子晶体的周期结构相互作用时，会发生两种重要的现象：干涉和衍射。
干涉是指光的波峰与波谷相互叠加形成明暗条纹的现象。
光子晶体的周期性结构可以形成光的干涉效应，使得入射光以不同的角度和波长被反射、透射或吸收。
当光子晶体的周期与入射光的波长或角度匹配时，就会发生干涉现象。
干涉现象会使得特定波长的光被反射、透射或吸收，其他波长的光被晶体表面散射。
衍射是光波在穿过狭缝或障碍物后绕过其边缘产生扩散现象。
光子晶体的周期性结构会限制光波的传播方向和传播范围，使得不同波长的光在光子晶体中发生衍射，进而产生不同的波长分量，从而表现出不同的颜色。
由于光子晶体的周期性结构具有宽禁带结构，可以选择性地反射、透射或吸收特定波长的光，因此光子晶体在不同入射角度和观察方向下对光的反射、透射和散射的颜色也会发生变化。
这就是光子晶体颜色变化的原理。
光子晶体原理及应用
光子晶体原理及应用光子晶体是一种具有周期性分布的介质结构，其周期与光的波长相当，并且通过光子晶体的介质结构可以控制光的传播和与物质的相互作用。
光子晶体的原理是通过改变晶体的周期性结构来改变入射光波的传播特性，从而实现对光的控制。
光子晶体的制备方法有很多种，常见的包括自组装法、光阻法、多光束干涉法等。
其中最常用的方法就是利用自组装原理，通过改变介质的化学成分和控制成核条件，使得光子晶体在一些特定的波长范围内具有周期性结构。
光子晶体的应用十分广泛，下面就几个典型的应用领域进行介绍。
1.光子晶体光纤光子晶体光纤是通过将光子晶体材料制备成光纤的结构，并利用光子晶体的禁带特性来实现对光波的传播控制。
与传统光纤相比，光子晶体光纤具有更小的损耗和更宽的通信带宽，可以大大提高信息传输的能力。
光子晶体光纤已经广泛应用于通信、传感和激光器等领域。
2.光子晶体传感器光子晶体的禁带结构对入射光波的敏感性很高，可以通过改变光子晶体结构或调节入射光波的频率来实现对光波的敏感探测。
光子晶体传感器可以用于气体、液体、化学品等环境的探测。
例如，在环境监测中，可以利用光子晶体传感器来监测大气中的有害气体浓度，实现对环境的实时监测。
3.光子晶体光子集成电路光子晶体材料可以通过微细加工技术制备成光子集成电路的结构，将不同功能的光子晶体结构集成在一个芯片上，实现对光波的控制和处理。
光子晶体光子集成电路具有体积小、功耗低和传输速率高等优点，可以应用于光通信、光计算和光存储等领域。
4.光子晶体激光器光子晶体结构可以用来实现激光器的工作原理，通过调节光子晶体的结构参数和控制激发条件，可以实现对激光的频率、相干性和发射方向的控制。
光子晶体激光器具有窄线宽、高亮度和高稳定性等特点，可以应用于激光雷达、光学通信和光学显微镜等领域。
综上所述，光子晶体作为一种新型的功能材料，在光学领域有广泛的应用前景。
通过对光子晶体的制备和调控，可以实现对光的控制和处理，使得光子晶体具有非常丰富的应用潜力。
光子晶体的应用
光子晶体的应用引言光子晶体是随人们对光控制的需求应运而生的，也是现代通信发展的需要。
在过去的几十年旱，半导体技术在人们日常生活中扮演重要的角色。
现代高科技的发展要求集成电路微型化和高速化，但是微型化将导致电阻增加和更高的能量损耗：高速则导致对信号同步化的敏感性。
为提高集成密度和系统的性能，科学家把目光从电子转向了光子。
与电子相比，光子的优点是：高速、大容量、低损耗；缺点是：传统光学对光的控制主要依赖于全内反射原理，但与波长相比，高低折射率的介质界面必须足够大，因此限制了光学器件的微型化。
依靠传统的介质材料，设计～个类似电子晶体管那样的小的光学器件是非常困难的。
光子晶体则提供了一种完全不同的对光的控制原理，这种对光予的操控能力，为光子器件提供了新的发展空间。
目前科学家正尝试用光子取代电子作作为讯息载体，希望解决此类的问题。
1.光子晶体简介1．1光子晶体的由来与概念光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch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。
由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化，当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系出现带状结构，此即光子能带结构(Photonic Band structures)。
这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap，PBG)，频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。
我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。
特别需要指出的是，介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方位的三维带隙结构。
光子晶体这一概念最初是从控制光的自发辐射角度提出来的。
光的自发辐射是激发态原子跃迁至较低能级，并以光辐射的形式释放出能量的一种现象。
1987 年Yablonovitch[”指出，折射率在三维空间以^／2为周期的变化，会导致在波长五附近，对所有传播方向的电磁波存在一个共同的禁带，就像晶体中的电子具有能量禁带一样。
光子晶体原理与应用
光子晶体原理与应用
光子晶体（photonic crystal）是一种结构精确的微纳米结构电磁材料，利用其介质固有的自由空间局域区域，对不同波长的光进行反射、阻隔、改变传播方式等特殊操作。
它具有体积小、材料制作成本低等特性，
极大程度上改善了传统光学结构的空间变形能力和可弯曲性，是一种极具
应用前景的新型光学材料。
光子晶体的基本原理是空间折射率（RRI）的离散值。
将正交双轴不
同折射率的介质，组成模块精确的微结构，通过精确的折射率分布、多层
堆叠及空间结构控制，可以对特定波长的光束实现准确的衍射和反射，从
而改变光的传播方向和波形，从而实现特定的光电功能。
它的优势是利用
其微结构优势实现可塑光学性能，能够极大地改善传统光学结构的空间变
形性，有效地把光固固定在一定的位置、实现光学隐形等多种功能。
光子晶体具有应用前景。
结合激光技术，能够实现快速控制及高精度
测量。
可用于实现多种新型电光特性，如智能光网络、高性能光识别技术、新型可调谐滤波器和激光结构器等功能。
它还能够应用于探测、传感和无
线通信等技术，以及激光标记、制造和位置定位等领域。
同时，光子晶体也可以用来实现新型可控光电功能。
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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
折射率是nb，厚度为hb，那么周期d=a+b，A、B总层数为N。
以AB材料进行仿真计算。
仿真程序
clear all
na=2.35;
nb=1.38;
ha=63.8e-9;
hb=108.7e-9;
yeta1=na;
yeta2=nb;
yeta0=1;
bo=400:1:900;
derta1=(2*pi*na*ha)./(bo*1e-9);
derta2=(2*pi*nb*hb)./(bo*1e-9);
num=length(bo);
for j=1:num;
Ma=[cos(derta1(j)),-i*sin(derta1(j))./yeta1;-i*yeta1*sin(derta1(j)),cos(derta1(j))]; Mb=[cos(derta2(j)),-i*sin(derta2(j))./yeta2;-i*yeta2*sin(derta2(j)),cos(derta2(j))]; Mab=Ma*Mb;
N=10;
M=Mab^N;
Rfan(j)=abs((M(1,1)*(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*(yeta0)-M(2,1)-M(2,2)*(yeta0))./(M(1, 1) *(yeta0)+M(1,2)*(yeta0)*sqrt(yeta0)+M(2,1)+M(2,2)*(yeta0)))^2;
end
figure(1);
plot(bo,Rfan,'k');
box on;
首先，我们A材料的折射率为2.35，B材料的折射率为1.38，AB材料组成的光
子晶体的介质层数为10层，进行了matlab仿真，得到如下的图形
然后我们更改介质层数为20层：
最后我们更改介质层数为30层：
对比以上三个图我们可以看出，一维二元光子晶体的投射特性与组成光子晶体的介质层数有关，介质层周期越大，越有利于形成禁带。
层数越多光子禁带越彻底，边沿越陡直。
然而，层数并不改变光子禁带的位置和宽度。
然后我们将介质层数N定为10层，改变AB材料的介质厚度，其余条件不变，进行仿真
当N=10，ha=33e-9，hb=992e-9，得到
当N=10，ha=66e-9 ，hb=150，得到
当N=10，ha=79 ，hb=138时得到
对比以上三幅图我们可以看出若改变AB材料的介质厚度，从而改变了其光子晶体的空间周期，可得到不同的禁带基频，进而获得不同的倍频禁带。