光子晶体及运用
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。
物理学中的光子晶体与其应用
物理学中的光子晶体与其应用光子晶体是一种新兴的物理材料，基于光子晶体的光学器件、传感器等应用正在得到广泛的关注和研究。
光子晶体的研究不仅在理论上深入挖掘其优异的光学性质，同时也在应用上拓展了其广泛的应用前景。
本文将深入探讨光子晶体的物理基础、制备方法及其应用领域。
一、光子晶体的物理基础光子晶体是一种具有周期性折射率的光学材料。
其制备原理与晶体学中的晶体结构有些相似，但是其周期性结构是基于电磁辐射的波动性质而形成的。
从物理的角度看，光子晶体中的周期性结构具有一些特殊的性质，可以使光子在其内部产生不同的衍射、干涉等光学现象，进而产生无数的光学效应。
在不同的应用领域中，这些效应可以实现各种不同的光学功能。
因此，光子晶体被广泛应用于传感、电磁波滤波、光子集成、新型激光器等领域。
二、光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要有两种：自组装法和光子晶体结构的向模板转移。
其中，自组装法是将具有亲水性和亲油性的材料按照一定的规律自组装成光子晶体的结构，该方法制备成本较低，但是其制备的光子晶体周期性结构的完整性和品质较难保证；而向模板转移就是将光子晶体准确地制备在含有特定形状或尺寸孔的硅模板中，它可以制备出较为完美的光子晶体结构，但是其制备成本较高。
另外，近年来还有一些新的制备方法不断涌现，如膜堆积法、简单复制法和自然现象中的光子晶体等，在某些特定应用中有其优势。
三、光子晶体在传感领域中的应用在传感领域中，光子晶体可以根据不同的应用场景设计制作不同类型的传感器。
以光子晶体传感器为例，其工作原理通过内部光波的传播，当光子到达空气、液体或固体等介质时产生衍射，进而改变光子晶体的光子带隙结构。
在特定的波长范围内，这一变化会产生明显的光学信号，进而可以对介质物质的某些属性（如浓度、折射率、温度等）进行检测和监测。
光子晶体传感技术具有灵敏度高、适应性强、抗干扰性能好等特点。
目前，光子晶体传感器已广泛应用于环境监测、生物医学检测、制药、食品安全等领域。
光子晶体及其在激光电磁学中的应用
光子晶体及其在激光电磁学中的应用光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其晶格常数比可见光波长要小得多，所以具有对光的完美控制特性，其光学性质优于普通的材料。
因此，光子晶体在激光电磁学中有着广泛的应用。
一、光子晶体的构造及其特性光子晶体是一种由周期性结构单元构成的材料，其周期性结构单元必须满足材料中的光子能够在其中传播的条件，也就是说，其周期应该与波长相当。
光子晶体可以用于在某些特定波段和极化状态下完美地反射和透射光线，其光学特性与普通材料不同。
光子晶体的物理特性随着结构和材料的变化而发生变化。
通过调整其内部的构造和成分，可以实现对光场的高度定制，可以控制光的传播方向、速度、损耗等性质。
光子晶体还具有非线性光学性质，可以产生与普通材料不同的非线性光学效应。
二、光子晶体在激光电磁学中的应用光子晶体是一种典型的光学材料，其在激光电磁学中有着很多的应用。
1. 光子晶体光纤光子晶体光纤是一种由光子晶体材料制成的光纤，受到物理尺寸和波长限制的传统光纤无法彻底解决多模干扰问题，导致光纤通信中的数据传输质量下降。
与传统光纤相比，光子晶体光纤的中心井宽和周期性结构单元的数量可以调整，改变传播模式，可实现单模传输，光传输带宽更大，并且混合模式可以避免在传输中的失真。
因此，光子晶体光纤可以用于长距离通讯、高速通讯、卫星通讯等领域。
2. 光子晶体激光器光子晶体激光器是一种基于光子晶体材料制成的激光器，可以用于光通信、光信息存储等领域。
光子晶体激光器利用光子晶体中的光子能带结构，实现了高效的光增强效应，它的光学特性比传统的激光器具有更好的稳定性和更高的高功率输出。
光子晶体激光器也可以实现波长调制，可以在大范围内实现波长调整，具有优良的单模性、高精度和低成本等优点。
这种波长可调激光器可以用于激光雷达、气体探测、医学诊断等领域。
3. 光子晶体光学振荡器光子晶体光学振荡器是一种基于光子晶体材料制成的光学器件，有着极高的透过率和较低的损耗率。
光子晶体的制备及其在光学中的应用
光子晶体的制备及其在光学中的应用光子晶体又叫做光子带隙材料，是指具有光学带隙的人工纳米结构材料。
光子晶体在光学、电子、能源、材料科学等领域中都有广泛应用。
本文将对光子晶体的制备和在光学中的应用进行简单介绍。
一、光子晶体的制备光子晶体的制备方法主要有溶胶-凝胶等离子体共振等离子体化学气相沉积、自组装、电子束和离子束雕刻、原子层沉积等多种方法。
其中最常用的是自组装法。
自组装法是指通过静电作用、疏水亲和性、亲疏水等分子间相互作用，自发地形成有序的纳米结构的复合材料。
这种自组装制备光子晶体的方法比传统方法更简单，能够大规模制备，具有可重复性好等特点。
二、光子晶体在光学中的应用1. 光学滤波器光子晶体具有光学带隙的特点，因此可以通过调整光子晶体的结构，实现光的选择性反射、透射和折射。
这种特性被广泛应用于光学滤波器中。
光学滤波器可以选择性地过滤掉某些波长，用于光学信号处理、光通信等领域。
2. 光学传感器光子晶体在光学传感器领域中也有很好的应用。
当光学传感器需要对某一特定波长的光信号进行检测时，可以利用光子晶体的光学带隙来实现选择性光信号反射或透过。
通过检测反射或透射的光功率变化，可以实现对物理量的测量。
3. 光子晶体光纤利用光子晶体的带隙性质，可以实现光的纵向传输。
通过制作光子晶体光纤，可以实现光功率在波长范围内的选择性传输。
这种光子晶体光纤具有优异的光学性能，可以用于高速光通信、激光器输出耦合和光学信号处理等领域。
4. 光子晶体光阻光子晶体光阻是一种新型的光电材料，川合成光子晶体的方法与普通光阻有很大的差别。
使用这种光子晶体光阻制作光学器件时，可以通过变化光子晶体的结构和纳米粒子的形状来调节相关器件的光学性能。
由于光子晶体光阻的光学特性可编程性较高，因此在光通信、可穿戴电子等领域中有良好的应用前景。
结语光子晶体具有非常广泛的应用前景，在光学、电子、材料科学等领域都得到了广泛的应用。
本文简单介绍了光子晶体的制备方法和在光学中的应用，并说明了这种材料的重要性。
光子晶体简介及应用
光子晶体简介及应用
光子晶体是一种具有周期性的介质结构，通常由周期性排列的介质球或棒组成。
它的独特之处在于它能够在某些频率下禁止特定方向的光传播，而允许其他波长的光自由通过。
这种性质可以用来控制光波的传播和传感器的制作，因此在光电子学领域有着广泛的应用。
光子晶体的制备方式可以分为两种：一种是自组装方法，通过在溶液中混合不同大小的微球或者添加聚合物溶液并加热来实现球状颗粒的自组装；另一种是利用微纳米加工技术，通过光刻或者离子束刻蚀来制备周期性的介质结构。
不同的制备方式可以得到不同类型的光子晶体。
光子晶体在光电子学领域有着广泛的应用。
其一是在光波导方面，光子晶体可以通过调控介质的周期性结构来实现光波的频率选择传输，从而实现滤波、隔离等功能。
其二是在传感器方面，光子晶体可以通过对光子晶体表面进行功能性修饰，实现对目标分子的高灵敏度检测。
其三是在激光领域，光子晶体可以用来制备高质量的激光谐振腔，用于激光的发射和调控。
除此之外，光子晶体还有许多其他潜在的应用。
例如，在光子晶体光纤领域，光子晶体光纤具有较高的非线性效应和光学带隙效应，可以用于实现超连续光谱发生器和高增益的光放大器。
在光子晶体透镜方面，光子晶体可以通过调控介质结构来实现对光的聚焦、分散和偏转，从而实现高分辨率成像和光学通信。
此外，光子晶体还可以用于制备光子晶体激光器、太阳能电池等光电子器件。
总之，光子晶体作为一种新型的光子材料，具有许多优良的光学性能和潜在的应用价值。
随着制备技术的不断进步和对其光学性能的深入研究，相信光子晶体将会在光电子学领域大展拳脚，为人类带来更多的光电子器件和应用。
光子晶体和光学器件的开发和应用
光子晶体和光学器件的开发和应用光子晶体指具有周期性介电常数结构的人工材料，是光学界的研究热点之一。
由于其具有特殊的光学性质，光子晶体在光学器件领域中具有广泛的应用前景。
本文将重点介绍光子晶体及其在光学器件中的应用。
一、光子晶体1. 发展历程电子结构中的布拉格衍射理论和晶体学的布拉格法之间存在相似性。
上世纪90年代初，Yablonovitch和John两位科学家独立地提出了将布拉格衍射理论应用于光学领域的想法，提出了光子晶体的概念。
光子晶体结构可以用正交晶格、六方晶格和非对称晶格等不同的结构来描述。
2. 基本特性光子晶体的制备及其生长是光学器件的核心问题。
光子晶体一般具有三个方向，分别为x、y、z方向。
在x、y方向上，光子晶体是均匀的，而在z方向上则具有周期性的介电常数。
因此，光子晶体对入射光的波长、入射角度和偏振状态都有很好的选择性。
光子晶体的周期性结构会在轴向上限制电磁波的运动，使之只能以某些特定波矢、即Brillouin Zone中的波矢传播。
光子晶体中的光子被限制在这些波矢中，形成了能带结构。
与普通的材料不同，光子晶体的能带结构不仅决定了光子晶体对入射光的反射和衍射，还对光子晶体内部光子的传播和发光特性产生影响。
3. 制备技术目前制备光子晶体的技术主要采用两种方法：光刻技术和自组装技术。
自组装是制备光子晶体的一种新方法，采用化学材料。
自组装方法的优点是可以根据需要进行改变，可以制备更大面积的材料并提高制备效率。
二、光学器件1. 光学波导器件光子晶体波导器件利用光子晶体内部的周期性介电常数分布，在波导结构中创造出光子进出波导和光子传播的特有通道，从而实现了各种高质量的光学功能。
光子晶体波导器件可以用于广泛的光学领域，如微纳光子学、信息处理和传输以及光通信系统等。
在高速光通信系统中，光子晶体波导器件具有高速速度和低损耗的优点，可以达到更高的传输带宽。
2. 光学滤波器件光学滤波器件是对特定波长范围内的光强度进行增强或减弱的光学器件。
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。
光子晶体及其应用
光子晶体及其应用光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，由于其特殊的光学性质和结构，被广泛应用在光学器件、生物医学、光通讯等领域。
本文将介绍光子晶体的基本概念、结构特点及其在不同领域的应用。
一、光子晶体的基本概念光子晶体是一种具有周期性结构的材料，在这个材料中，电子波照到晶体上会被电子所反射。
同样的道理，光子晶体中的光波照到晶体中也会发生反射。
由于光子晶体中的周期性结构，其对光的反射和透射具有非常特殊的光学性质，可以用来控制光的传播和强度分布。
二、光子晶体的结构特点光子晶体的结构可以分为一维、二维和三维结构。
其中，三维结构的光子晶体最为复杂和多样化，其结构可以类比于晶体的结构，具有完美的晶体周期性。
二维光子晶体是由两层周期性平面构成的，一维光子晶体是由一个周期性结构构成的。
除了结构上的区别，光子晶体还具有以下特点：1、色散关系特殊。
光子晶体中的色散关系与普通媒质不同，有时会呈现出反常色散现象。
2、布拉格反射。
在光子晶体中，光波照射到晶体上会发生布拉格反射现象，即光受到反射的角度与入射角度相等，反射后的光波会受到相位差。
3、光波导。
在光子晶体中，由于其介质介电常数的周期性变化，可以形成光子带隙，从而达到光波导的目的。
三、光子晶体的应用1、光学器件。
光子晶体具有良好的光学性质，可以用来制造滤光器、反射镜、光纤等光学器件。
2、生物医学。
光子晶体可以用于生物医学，如制作一些新型传感器、生物分子的检测等。
3、光通讯。
光子晶体光纤可以提高光通讯的传输速度和质量，有效地消除光波导结构中存在的散射问题。
4、太阳能电池。
光子晶体可以制造太阳能电池，利用传统的硅基太阳能电池反射的光线转化为光子波导，达到吸收更多的光线能量的效果。
5、光学计算。
光子晶体可以用来制造光学计算器，这种计算器以光子晶体为介质，将光传递过程中的衍射、干涉等光学效应应用于计算。
光子晶体作为一种新型的光学材料，具有良好的光学性质和应用前景。
随着科技的不断发展，光子晶体在各个领域的应用前景也将越来越广泛。
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Photonic crystals vs semiconductors
Electronic
Photonic
2 2
V (r ) (r )
E (r )
1 (r )
H
(r )
w
2
H
(r )
E ~ k2
Sc
alar
(r )
E~k
Vector E, H
Fermion, s =1/2
Boson, s =1
a = 515 nm r = 180 nm
Active region: InGaAsP
O.Painter et al., Science 284, 1819 (1999).
光限制器、光开关
n1
n2
透 射 率
光子带隙
M. Scalora et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1368 (1994).
Inverse Doppler effect
反常折射现象
一维光子晶体
二维光子晶体
二维光子晶体
三维微波光子晶体
Lincoln Log-like structure
Smallest three-dimensional photonic crystal yet fabricated excludes light in the wavelength range around 1.5 mm.
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90 500
1000
1500
2000
2500
3000
Wavenumber(cm-1)
可见光透射光谱
Transmission
0.5
0.4
黄
色
0.3
带
红 色
0.2
带
0.1
0.0 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
我们能否控制光子的流动？
电子能带
单原子势场
原子势场的周期排列
能级
E
k 能带
Electronic band structures
Si
Eg
Eg
Ge
L [111] G [100] X L [111] G [100] X
传统的操控光的流动
全反射
qc
Critical angle sinqc 1/ n
n =1.55, qc=40.2o
M. Bayer, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2582 (1998)
光子晶体偏振器
频率
光子能带 结构
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
TM
TE
光子晶体量子阱：多通道滤波器
Transmission
PBG
1.0
n=1
0.5
0.0
1.0
n=2
S. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (1999)
Sonic bandgap material
J.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (1998).
波晶体
波
波能带
周
期
性
波禁带
电磁波、声波、水波、 地震波 …...
一维全方位反射镜
Y. Fink, et al., Science 282, 1679 (1998)
布儒斯特角的修饰
p wave
qi qt 90
tanq p nt / ni
qi ni
nt qt
qi ni
nt qt
布儒斯特角的修饰与消失
各向异性 nx ny nz
光子晶体光纤
J. C. Knight, et al., Science 282, 1476 (1998)
带隙的形成机理 宽带隙、多带隙
2、物理特性的发现 处于初始阶段
3、材料的制备
尚无独特的方法
4、新型器件的开发
半导体： 大规模应用 光子晶体：研发阶段
宽带全向全反射器
核爆 射线探测器
假目标？
Photonic crystal
光子晶体天线
Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)
DARPA 重组天线计划
美
可调光子晶体计划
日
超快光子学计划
毫米和亚毫米波段的集成天线技术 基于光子晶体的光子集成线路计划 欧
基于蛋白石结构的光子晶体
波长尺度的通讯用光子部件
光子晶体的能带结构
光子能带结构
频率
允许带 禁带
带隙
允许带
标度不变性
a
光限制
光波导
光折变
光子线路
微腔
波导
Spontaneous emission
金属光子晶体
Opal
SiO2 particles fcc structure
Inverse opal
J.E.G.J. Wijnhoven and W.L. Vos, Science 281, 802 (1998)
Ordered microporous materials from rod-coil block copolymer
Shawn Lin et al., Optics Letters, 1 January, 1999
Infrared photonic crystals fabricated using deep x-ray lithography
G. Feiertag, et al., App. Phys. Lett. 71, 15 September 1997
光子比电子的优点
传播速度更快 携带更大信息
更大的带宽
电子系统：几百 KHz 光纤系统: THz
无光子-光子相互作用 更小的能量损耗
能
全光通讯
否
二十一世纪： internet era
控 制
全光器件
光
子
光纤
的
流
动
电子器件
？
What is photonic crystal?
'Baby, One More Time' 'Oops I did it Again'
0.5
0.0
1.0
n=3
0.5
0.0
1.0
n=4
0.5
0.0 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55
Frequency (wa/2pc)
(AB)m (CD)n (AB)m 能 带 结 构
透明金属
微波与 红外
可见光
Ag
glass
红外反射光谱
平均 反射 率
95%
Reflectivity
e-e: strong
~ 0.1nm
p-p: absent
100 nm
半导体~光子晶体
光半导体 未来的半导体
半导体
1930年代 电子能带论 （电子带隙）
1948年 发明晶体管 Nobel
1958年 发明集成电路 Nobel
1960年代以后 微电子革命
光子晶体
1987年 光子能带
（光子带隙）Nobel?
自聚焦现象：超吸收应用
X-射线激光
微波吸收？ 红外吸收？
光波导
微腔
Microcavity
Photonic crystal microcavity
Grating-like microcavity Cylindrical cavity
新型光子晶体激光器
世界上最小的激光器
Defect region
光子晶体是什么？
周期排列的人工微结构材料
构成材料: 单元尺寸:
半导体、绝缘体、金属材料等 毫米、微米、亚微米
光子能带、光子禁带
均匀介质
光子晶体 Photonic band structure DOS
w
k
w
0
k space
0
光子能带的起源
w
0 0
k
p/d
d
• Bragg 散射 • Mie 共振
Photonic crystals in nature
Excited state
w photon
(w )
Ground state
w
Fermi golden rules
dW f i
2p
f
Hˆ i
2
(w )
Spontaneous emission: modification
w
(w )
(w )
(w )
w
Natural
w
Inhibited
w
Enhanced
Photonic crystals in nature
Weevil 象鼻虫
Photonic crystals in nature
Sea mouse
Photonic crystals in nature
green blue
brown yellow
二维光子晶体
二维光子晶体
三维光子晶体
Lincoln log structure
光子晶体及其应用
内容
光子晶体简介 光子晶体的特性 光子晶体的应用 光子晶体的制作
人类材料史
利用自然材料
石器时代、铜器时代、铁器时代 ...