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棱镜全息干涉法制作光子晶体的研究刘国彬;孙晓红;李大海;臧克宽【摘要】Making photonic crystal by holography interference,which possessed the economic and quick properties,is an ideal method of fabricating large area photonic crystal. Prism holography interference method,as the setup is relatively stable,and can be easily adjusted,has become an important photonic crystal fabricating method. Because two dimension photonic crystal can be made relatively easily,it has been widely used in many devices such as LED and semiconductor lasers. In this paper, some theoretical questions in making two dimension and three dimension photonic crystal with top-cut prisms are analyzed,in which the number of light beams,space distributions and polarization have impact on the fabricated optical lattice structures. In this paper, different kinds of two dimension and three dimension optical lattice structures fabricated by hexagonal top-cut prisms are simulated with computer.%全息干涉法制作光子晶体具有经济、快捷等特点,是制作大面积的光子晶体理想的方法.其中棱镜全息干涉法具有实验装置稳定性好、易于调节等优点,成为一种重要的光子晶体制作方法.制作二维光子晶体相对简单,并且在很多器件如LED、半导体激光器等的制作中得到广泛的应用.本文分析了用top-cut六棱镜全息干涉制作二维、三维光子晶体的理论问题:光束的数目、空间分布等对生成的光学晶格结构的影响.本文计算机模拟一定情况下,六棱镜生成的各种二维、三维学晶格结构.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)012【总页数】5页(P1373-1377)【关键词】光学材料;光子晶体;全息干涉;光学晶格【作者】刘国彬;孙晓红;李大海;臧克宽【作者单位】郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室,河南郑州450052;郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室,河南郑州450052;郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室,河南郑州450052;郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室,河南郑州450052【正文语种】中文【中图分类】O438.11 引言光子晶体是一种介电常数呈周期性分布的光学材料，1987年，由 Yablonovitch 和 John在研究禁止自发辐射和局域态问题时分别提出。
摘要：光子晶体是指具有光子带隙（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。
按照光子晶体的光子禁带在空间中所存在的维数，可以将其分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。
光子晶体传感器应用包括应变传感器、温度传感器、化学传感器、光子晶体光纤传感器、长周期光纤光栅(LP FG) 生物传感器、LPFG 化学传感器等。
本文从光子晶体传感器的概述、研究现状和应用几方面对光子晶体传感器的应用进展进行了综述，希望对光子晶体传感器有一个比较全面的了解。
关键词：光子晶体传感器；研究现状；应用；进展中图分类号：TN249投稿日期：2014-06-02文献标识码：A文章编号：1006-883X（2014）09-0027-07光子晶体的研究及其在传感器中的应用张文毓中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471023一、前言1987年Y ablonovitch 和John[1] 几乎同时提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。
光子晶体在光子晶体光纤、光子晶体激光器、光子晶体波导、高性能反射镜、光子晶体光开关、光放大、滤波器、偏振器等众多领域有着广阔的应用前景。
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。
[2]出了光子晶体的概念－具有光子带隙（Photonic Band-Gap，PBG）的周期性电介结构，有时也称为PBG 光子晶体结构。
光子晶体最基本的特征是其能带结构中可能存在着类似于半导体能带中的禁带，即光子带隙，频率落在光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播。
由于光子晶体具有可以控制光传播方向的特性，使其在传感器、光通信、光器件等诸多方面具有巨大的科学价值和应用潜力。
自然界里发现的天然光子晶体不少，如蛋白石(opal)、宝石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海老鼠毛等。
基于光子晶体的传感器研究与应用光子晶体是一种具有周期性的结构，通过调控其结构和材料，可以实现光的带隙、禁带、共振等特性的调控，因此广泛应用于光学、光电子、化学和生物学等领域。
而光子晶体传感器则基于其特殊的光学性质，通过捕捉和转换物理、化学或生物信号来实现传感器的功能，广泛被应用于环境监测、医疗诊断、生物分析等领域。
一、光子晶体传感器的原理和技术光子晶体传感器的原理基于材料特性和光学原理，通过选择合适的材料和调节其结构来实现对特定信号的捕捉和转换。
常见的光子晶体传感器包括反蛋白石结构、光纤光子晶体、表面等离子体共振、微细腔等结构，其中反蛋白石结构和光纤光子晶体是较为常用的传感器类型。
反蛋白石结构是一种由亲水性和疏水性聚合物颗粒自组装而成的结构，具有周期性的孔隙结构。
在这种结构下，光的波长与孔隙大小相当时，会出现反射现象，这种反射现象被称作布拉格衍射。
而不同物质接触反蛋白石结构时，会导致孔隙大小和形状的改变，进而改变了布拉格衍射的波长和强度，从而实现对信号的捕捉和转换。
光纤光子晶体则是一种利用光纤表面的光子晶体结构来实现传感的技术，通常是通过将光子晶体材料固定在光纤表面或者将光纤拉成光子晶体结构来实现。
在这个结构中，光随光纤传输并与光子晶体相互作用，从而实现对信号的捕捉和转换。
二、光子晶体传感器的应用光子晶体传感器具有高灵敏度、高选择性、实时检测等优点，被广泛应用于环境监测、生命科学、医疗诊断等领域。
下面将介绍一些常见的应用：1.环境监测通过测量光子晶体传感器在接触污染物后孔隙大小的改变，可以实现对污染物浓度和种类的检测，比如空气中的甲醛、氨气等有害气体、水中的有机物和重金属离子等。
2.生命科学利用光子晶体传感器可以检测分子结构、诊断疾病、靶向药物等，比如在生物体内通过检测某种病原菌的生物标记来诊断疾病，在药物研发中检测靶向药物的作用效果等。
3.医疗诊断利用光子晶体传感器可以检测血液中的生物标记物、药物浓度和代谢产物等，比如检测血糖、血压、血脂等指标的变化，监测药物代谢及治疗效果等。
光子晶体光纤传感研究与应用光子晶体光纤是一种新型的传输光信号的光纤，它不仅具有传统光纤的传输功能，还可以在光子晶体内产生一系列的光学效应。
近年来，光子晶体光纤传感成为研究热点，主要因为光子晶体光纤可以在光谱、成像、波导、量子信息等领域得到广泛的应用。
本文将主要从光子晶体光纤传感的研究及其在应用方面进行探讨。
一、光子晶体光纤传感技术的研究光子晶体光纤传感的研究，主要通过改变光子晶体的周期结构和形状等参数来调控其传播性能，实现对不同环境条件下物质与光子晶体的相互作用，进而实现对环境参数的检测和探测。
光子晶体光纤的传感性能与光子晶体的周期、衬底的折射率、孔隙的形状和孔隙填充物等参数密切相关。
研究光子晶体光纤传感技术的关键在于如何通过光学传输的方式获取传感信号，并对这些信号进行监测和解码。
其中，最常用的技术是基于光谱分析和光纤头结合的方法。
光子晶体光纤传感的研究方向主要包括基于色散、基于谐振、基于干涉等多种技术，其中基于色散的光子晶体光纤传感方法是最常用的一种。
在此方法中，通过在光子晶体中注入环境介质，改变其光学性能而导致色散谱的位移。
通过对此位移进行测量，即可获得环境参数的信息。
另外，基于谐振和干涉的光子晶体光纤传感方法也有其独特的优势，例如谐振结构的传感精度更高，干涉结构可以达到更高的灵敏度和分辨率。
二、光子晶体光纤传感的应用目前，光子晶体光纤传感在生物、化学、环境和工程等领域得到了广泛的应用，已经成为传统传感技术无法比拟的强大工具。
下面将从几个方面介绍光子晶体光纤传感的应用。
1、生物医学传感生物医学传感是光子晶体光纤传感的应用之一，其主要用于检测生物体内的物质，如葡萄糖、脂肪酸等，进而实现疾病的诊断和治疗。
在此应用中，光子晶体光纤的高灵敏度和快速响应特性使其成为不可替代的工具。
例如，利用光子晶体光纤来检测血糖水平，可以避免血液采样的疼痛和创伤，大大提高糖尿病患者的生活质量。
2、环境监测传感环境监测传感是光子晶体光纤传感的另一应用方向，主要用于监测城市污染、生态环境以及工业废气等方面。
光子晶体光纤中的光子波导与耦合效应研究光子晶体光纤是一种具有周期性折射率分布的光纤结构，得益于其特殊的光导特性，它在光子学领域中具有广泛的应用前景。
其中，光子波导与耦合效应是光子晶体光纤研究的重要内容。
光子波导是指在光子晶体光纤中存在的具有较低折射率的区域，光信号主要通过该区域传输。
光子波导的存在使得光子晶体光纤具有了优异的光导特性，能够有效地限制光信号的传播方向和范围。
通过调控光子波导的形状和尺寸，可以实现对光信号的控制和调制，从而实现更加灵活多样的光传输功能。
而光子波导与耦合效应是指光子波导之间的光信号相互作用和传输现象。
光子波导与耦合效应可以用来实现光信号在光子晶体光纤中的传输和切换。
例如，在一个光子波导中注入光信号，通过控制光信号与相邻光子波导之间的耦合强度，可以使光信号从一个光子波导传输到另一个光子波导中。
这种光子波导与耦合效应被广泛应用于光子晶体光纤中的光调制和光开关等光学器件的设计与制备。
针对光子波导与耦合效应的研究，科学家们通过数值模拟和实验方法进行探索。
其中，光子晶体光纤光学器件的设计和优化是非常关键的一环。
设计合理的光子晶体光纤结构和波导参数可以实现较强的光导功能和稳定的光传输特性。
通过结合光学材料的特性，科学家们可以制备不同类型的光子波导结构，如点缺陷波导、线缺陷波导等，以实现不同的光学功能和应用需求。
另外，光子晶体光纤中的光子波导与其他光纤之间的耦合效应也是研究的重要内容。
由于光纤之间存在不同结构和折射率的差异，光信号在耦合过程中会发生模式耦合和能量损耗等现象。
通过研究光子波导与其他光纤之间的耦合效应，可以优化光信号的传输效率和稳定性，并为光子晶体光纤的实际应用提供参考和指导。
总的来说，光子晶体光纤中的光子波导与耦合效应是光子晶体光纤研究的重要方向。
科学家们通过设计合理的光子晶体光纤结构和优化波导参数，以及研究光子波导与其他光纤之间的耦合效应，不断推动着光子晶体光纤在光通信、传感和光学器件等领域的应用。
基于光子晶体的光学传感技术研究与优化光学传感技术是指利用光来感知、检测和识别物理或化学量，并将其转化为光学信号，实现物理和化学检测的一种技术。
光子晶体作为一种具有特殊光学性质的材料，在光学传感技术中应用也越来越广泛。
本文将对基于光子晶体的光学传感技术进行研究和优化。
一、光子晶体原理光子晶体是一种具有周期性的介电材料，其周期结构的尺寸与光的波长相当。
由于其周期性结构的存在，光子晶体具有较强的反射衍射、色散、光学吸收等特殊光学性能。
其中，光子晶体的反射衍射作用是基于布拉格原理的。
布拉格原理指的是，如果样品中的晶体结构对于光是定向的，那么如果光射入晶体并被反射回来，它们会产生相干干涉，使得某些波长的光被增强，而另一些波长的光则被衰减。
二、基于光子晶体的光学传感技术由于光子晶体的特殊性质，其在光学传感技术中有着广泛应用。
下面将介绍基于光子晶体的几种光学传感技术。
（一）光子晶体传感芯片光子晶体传感芯片利用光子晶体的反射衍射特性，通过对光的波长和强度的测量来检测样品中的生物分子和化学物质。
该技术优点在于具有很高的检测灵敏度和选择性，可以实现实时和快速的生化检测。
同时，其成本也相对较低，可得到较好的推广。
（二）光子晶体激光传感器光子晶体激光传感器由光子晶体材料和激光器构成，其特点是采用全光学技术，具有高灵敏度、快速响应、无源元件、数据安全等多种优点。
光子晶体激光传感器中光被耦合入晶体后，光在晶体内经过反射、散射等过程，被波导耦合器输出。
与传统光器件相比，光子晶体激光器具有更好的抗干扰性，其理论极限检测灵敏度可达于单个分子的水平。
（三）光子晶体微孔光纤传感器光子晶体微孔光纤传感器是利用光传输在光子晶体中的多重反射效应实现传感的一种新型光学传感器。
该传感器具有优异的传感性能，具有快速响应、高灵敏度、广泛波段响应等特点。
与传统的光纤传感技术相比，光子晶体微孔光纤传感器可以更好地感知生命体系中的小分子物质和大分子物质，并有助于实现微型化、集成化的传感器设计。
光子晶体的波导特性研究光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，其特点是具有禁带结构，可以限制特定频率的光波传播。
光子晶体的波导特性研究主要是探究光在这种材料中的传播特性以及通过结构调控来实现光波导的性能优化。
本文将从光子晶体的基本原理入手，介绍波导特性的研究方法和应用。
光子晶体是由具有周期性折射率分布的介质组成的周期性结构。
通过调控晶格的周期和折射率分布，可以实现光子晶体对不同频率的光波的禁带。
在光子晶体中，禁带是指光波无法传播的频率范围，从而实现了对光的控制。
波导是一种特殊的结构，可以限制光波在其中传播。
在光子晶体中，波导是在具有周期性结构的基板上形成的一条通道，通过在波导区域的设计和调控，可以实现光波的有效捕捉和传播。
光子晶体波导（Photonic Crystal Waveguide，简称PCW）基于光子晶体材料，利用其禁带特性和成熟微纳加工技术，实现了对光波进行有效控制和引导。
波导特性的研究对于光子晶体的应用具有重要意义。
首先，研究波导的传播特性有助于深入理解光子晶体中的光学行为和光子晶体材料的特点。
通过准确把握波导的设计和制备方法，可以进一步优化光子晶体材料的性能，提高其应用的效率和可靠性。
其次，波导特性的研究对于光子晶体在光通信领域中的应用具有重要意义。
光子晶体波导可以用于制备高性能的光放大器、光调制器和光开关等器件，这些器件在光通信系统中扮演着重要的角色。
通过研究波导的性能，可以提高这些器件的传输速率、增强其光学性能，并进一步推动光通信技术的发展。
在研究光子晶体波导特性时，有几个关键的研究内容和方法。
首先是波导的设计和优化。
通过计算和仿真方法，可以对光子晶体波导的性能进行预测和优化。
采用数值计算方法，如有限差分时域方法（FDTD）和有限元方法（FEM），可以模拟光波在波导中的传播和光场分布，进一步指导波导的设计和性能调优。
其次是波导的制备和性能测量。
光子晶体波导的制备可以采用光刻、干法蚀刻和离子注入等传统的微纳加工技术，也可以基于自组装等方法实现。
光子晶体波导光学性质研究及其应用光学材料的研究是光学领域的重要研究方向。
其中，光子晶体波导光学性质的研究引起了广泛关注。
光子晶体波导电磁波的传播方式与普通光导波导有所不同。
普通光导波在传播过程中，会由于材料的折射率和波导结构的变化而发生折射和反射现象；而光子晶体波导则是利用了光子晶体的周期性结构，通过禁带的产生而实现光的完全反射和传播，避免了光本身的耗散和散射。
光子晶体波导通过周期性结构的构成和控制，可以实现高度可定制化和可调控的光学性能。
通过控制光子晶体波导的几何形状和材料的折射率等参数，可以实现光子晶体波导的禁带调制和光流的调控。
光子晶体波导在光通信、可见光通信、半导体激光器、光传感等领域都有广泛应用。
其中，光子晶体波导在微纳米光子学研究中具有广泛应用前景。
在微纳米光子学研究中，光子晶体波导可用于制备微纳米光学模拟器和微纳米光子学逻辑门等微纳米光子学器件。
光子晶体波导可以为微纳米光学模拟器提供一个完整的光路系统，使得微纳米系统中的光子传输行为可以得以控制。
该技术的研究不仅可以为微纳米光子学领域的研究提供新的方式，而且对于微纳米光子学器件的实际应用也有很大的推动作用。
此外，光子晶体波导在生物医学领域也具有广泛的应用前景。
以微纳米生物传感器为例，光子晶体波导可以作为核心元件，通过控制生物材料和光通量之间的相互作用，实现对细胞和分子级别的检测。
这种传感器具有高灵敏度和高选择性，可以将其用于癌症筛选、生物体内成像等领域。
总之，光子晶体波导的研究在微纳米光子学和生物医学等领域都具有广泛的应用前景。
在未来的研究中，我们期待看到更多关于光子晶体波导的研究成果，为光学领域的发展做出更大的贡献。
光子晶体与表面等离子体共振传感技术在化学传感研究中的应用近年来，光子晶体和表面等离子体共振传感技术在化学传感领域中引起了广泛关注。
这两种传感技术都是基于光学原理进行测量和分析的，并已经在各种化学传感应用中得到了广泛的应用。
本文将分别介绍光子晶体和表面等离子体共振传感技术的基本原理，并讨论它们在化学传感研究中的应用。
一、光子晶体传感技术光子晶体是一种周期性的光学材料结构，其周期与光波长相当，因此它能够自发产生布拉格衍射，并在不同方向上选择性地反射光线。
此外，光子晶体的结构与光线入射的角度和波长有关，因此它能够承载传播不同波长的光子，使其在特定波长和角度上产生光子带隙。
这种性质可以用于光子晶体传感技术中，即通过在光子晶体中添加灵敏材料，利用气体、液体或生物分子等物质与灵敏材料之间相互作用的方式，来检测化学物质浓度、分子相互作用等化学信息。
最近，一些新型的光子晶体传感器因其高灵敏度和快速响应速度，正在得到越来越多的应用和关注。
例如，在生物医学领域中，利用纳米光子晶体传感器对癌症标志物等生物分子进行检测已经被证明是一种非常重要和实用的方法。
此外，在环境监测和食品安全方面，光子晶体传感器还可以用于检测污染物、残留物和食品品质等化学信息。
二、表面等离子体共振传感技术表面等离子体共振传感技术是一种基于表面等离子体共振效应的传感技术，它是将光与物质相互作用的一种极佳方式。
在这种技术中，将薄金属膜或合成材料表面附着有感兴趣的生物分子等灵敏材料，当物质是接触到灵敏材料表面时，会对表面等离子体波感应区域的电磁场产生扰动。
这种扰动可以通过检测输出光的强度和频率等参数，来分析物质与灵敏材料之间的相互作用。
表面等离子体共振传感技术具有许多优越性质，例如高灵敏度、快速响应速度和低检测限等，已经成为实验室和生物医学研究中不可或缺的工具。
例如，在生物医学领域中，表面等离子体共振传感技术被广泛应用于生物分子相互作用的研究、分析药物-受体相互作用等领域。
