光子晶体

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。

光子晶体和光子晶体结构光子晶体是一种具有周期性层状结构的材料，其特点是能够控制光波的传播和调制。

光子晶体的研究和应用在光学、电子、通信等领域有着广泛的应用前景。

光子晶体结构的形成是通过改变材料中介质折射率的分布而实现的。

光子晶体的基本单元是具有不同折射率的周期性结构，每个单元的尺寸一般在光波的波长范围内。

通过改变周期性结构的尺寸和形状，可以调控光的传播速度、频率和波长选择性。

光子晶体能够形成光子带隙，使光波在特定频率范围内被禁止传播，这种特性使得光子晶体在光学器件设计和光学信号处理中具有重要的作用。

在光子晶体的研究中，最常见的结构包括一维、二维和三维的光子晶体。

一维光子晶体是由多个介质层交替叠加而成，如Fabry-Perot腔、DBR腔等，可用于制备窄带滤波器和调制器。

二维光子晶体是由周期性排列的柱状或球状结构组成，可用于制备光学波导、微透镜和分光器。

三维光子晶体具有更复杂的结构，可以形成全息拓扑结构，制备出具有高度对称性和复杂功能的光学器件。

光子晶体的制备通常采用自组装、光刻、溶胶凝胶法等方法。

其中，自组装是一种常用的方法，通过微流控技术和界面控制来实现光子晶体的组装。

自组装方法可以制备出具有高度有序结构和周期性的光子晶体，并且具有较高的可扩展性和可控性。

光子晶体的应用涵盖了众多领域。

在光学传感方面，光子晶体可以通过改变环境折射率来实现对光波传播的调控，从而实现对环境中物质浓度、温度和压力等参数的检测。

在光学通信中，通过光子晶体的结构设计和调控，可以实现高效率的光信号传输和调制，提高通信系统的性能。

此外，光子晶体还可以应用于光子计算、光子集成电路、太阳能电池和光子器件等领域。

光子晶体的研究还面临着一些挑战。

首先，光子晶体的制备技术需要进一步发展，提高自组装方法的可控性和稳定性。

其次，光子晶体的性能和应用还需要深入研究，特别是在高温、高压和强光照射等复杂环境下的应用。

最后，光子晶体在制备成本和规模化生产方面还存在一定的限制，需要寻找更加经济和可行的制备方法。

光子晶体光子晶体（Photonic Crystal）指能对光作出反应的特殊晶格。

光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构，这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。

光子晶体以各种形式存在于自然界中，科学界对它的研究已经长达一百年。

原理光子晶体是在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。

应用光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。

使用光子晶体制造的光子晶体光纤，也有比传统光纤更好的传输特性，可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。

2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体，将光的群速度降低了超过一百倍。

这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中，其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。

光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。

英国的Mesophotonics宣称，该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品，由于灵敏度超高，未来可望应用在医疗诊断、药物输送，以至于环境监控上。

光子晶体光纤光子晶体光纤又被称为微结构光纤，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播。

光子晶体技术光子晶体是一种具有周期性介电常数或介电导率分布的材料结构。

由于其特殊的光学性质，光子晶体技术已经成为光学、光电子学和纳米科技领域的研究热点。

本文将探讨光子晶体技术的原理、应用以及未来发展方向。

一、光子晶体技术的原理光子晶体技术的实现是通过制备周期性的结构，使得材料对特定波长的光具有反射、传播、干涉等特殊性质。

光子晶体的周期性结构通常是由两种或多种材料交替排列组成，其中每种材料的折射率或导电性质不同。

二、光子晶体技术的应用光子晶体技术在光学和光电子领域有着广泛的应用。

一方面，光子晶体技术可用于设计和制备各种光学器件，例如光波导、光滤波器、光传感器等。

另一方面，光子晶体技术也可应用于光子集成电路、光子计算和光子通信等领域。

1. 光子晶体传感器光子晶体传感器利用光子晶体对特定波长光的敏感性，可以实现高灵敏度和高选择性的传感器。

通过调控光子晶体的结构参数，可以实现对特定物质的浓度、温度、压力等参数的检测。

2. 光子晶体光波导光子晶体光波导是一种基于光子晶体的光传输手段，其具有低损耗、高传输效率的特点。

通过调节光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行引导和控制，从而实现光信号的调制和耦合。

3. 光子晶体滤波器光子晶体滤波器是一种具有特定波长选择性的光学器件。

通过调整光子晶体的结构参数，可以实现对特定波长的光进行滤波，从而实现光的频率选择和光谱分析。

三、光子晶体技术的发展趋势光子晶体技术凭借其独特的光学性质和广泛的应用前景，受到了越来越多的研究关注。

未来，光子晶体技术有望在下述方面有进一步的发展和应用。

1. 多功能光子晶体材料的设计与合成当前的光子晶体材料多局限于某一特定波长范围内应用。

未来，研究人员将致力于开发具有更宽波长范围响应的多功能光子晶体材料，并探索更灵活的调节机制，以满足不同应用场景的需求。

2. 新型光子晶体器件的研发与应用随着光子晶体技术的发展，越来越多的新型光子晶体器件被提出和实现。

光子晶体绪论光子晶体是一种在微米亚微米等光波长的量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，按照其折射率变化的周期性，可以分为一维、二维和三维光子晶体。

光子晶体的概念首先在1987年被E.Yablonovitch提出[1]。

1991年，由E. Yablonovitch制成了第一个微波波段的光子晶体后，随着各种工艺的发展，多种多样的晶体结构陆续的被制备出来，许多理论预测得到了验证。

光子晶体的原理光子晶体的原理是从类比晶体开始的。

晶体中原子的周期性的排列使晶体中产生了周期性的势场，当电子在这种周期性势场中运动时会受到布拉格散射，从而形成能带结构。

带与带之间可能存在带隙，电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续传播。

不论电磁波还是其它波(如光波)，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都可能出现带隙，而能量落在带隙中的波一样也不能传播。

光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性地出现低折射率(如人工造成的气泡)的材料，高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动[2~5]。

自然界中存在一些有着光子晶体结构的物质，例如用来装饰的蛋白石( 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[6~7]。

参见图1~5。

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。

因实验研究使用的光子晶体必须经过人工制备。

常见的光子晶体的制备方法有自然生长法，机械制备法，光刻法，光学方法，化学刻蚀方法，薄膜生长法，胶体自组织密堆积方法，反蛋白石光子晶体合成方法等[8~13]。

光子晶体的研究与应用光子晶体是一种微结构材料，具有类似于晶体的周期性结构，但是不是由原子或者分子组成，而是由光子晶胶体颗粒组成。

光子晶体在光子学、化学、物理、材料科学等领域得到了广泛的应用，例如，在能源、传感、信息处理、生物医学等领域都有着很好的应用前景。

一. 光子晶体的制备实验中通常采用的制备光子晶体的方法有：自组装法、电沉积法、光刻法等。

1.自组装法这种方法通常使用胶体晶球作为模板，通过溶液挥发或者热处理等方式使其形成光子晶体。

其中最常见的是球形非晶胶体晶球模板的法。

这种方法不仅能够制备不同大小、形状的光子晶体，而且可以使得光子晶体具有良好的结构、周期性和层次性。

2.电沉积法这种方法是利用高温与化学反应的原理，将规定形状的金属纳米颗粒水化合物电解沉积在电极上，从而构造出光子晶体。

这种方法制备的光子晶体不仅结构完整，而且具有良好的光谱性能和多样化的形态。

3.光刻法这种方法主要是在硅素晶体的表面上使用类似于摄影的技术，在可见光和紫外线的照射下使得硅片发生化学反应形成光子晶体。

最主要的优点是可以制备出复杂的几何形态的光子晶体，并且可以通过改变所使用的物质以及优化制备工艺来得到更好的特性。

二. 光子晶体的应用在一些领域中，光子晶体的应用已经具有了丰富多彩的形式。

下面将从绿色能源、传感、光变材料及生物医学四个方面来分述。

1.绿色能源光子晶体有着一些特殊的物理性质，例如光子晶胶体颗粒之间的纳米光学场相互作用可以引起光学透射波长的变化。

光子晶体通过其光电性质协同作用，开发了太阳能电池、能谱光源等领域。

例如，人们可以通过制备某些特定的光子晶体，使得其在光谱范围内具有较好的反光特性，可以提高太阳能转换并使其效率更高。

2.传感光子晶体在光学传感器上应用的研究日益深入。

光子晶体材料运用其光学特性提高传感器的灵敏度和响应速度，实现了对多种物质、直线运动方向等多因素的探测。

例如，对于细胞的定位、动力学探测以及化学性质的判断，可以通过制备出相应的质感光子晶体来完成，从而获得更加精准的信息和控制。

光子晶体的制备及应用王文瀚12S011029 1 引言光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。

1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。

实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。

蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。

这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。

正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。

这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。

当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。

1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。

1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。

[1]2 光子晶体原理最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。

A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。

普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。

比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。

根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。

(a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构图1 光子晶体结构示意图一维光子晶体是由多层介质薄膜构成，在光子晶体概念提出以前，就已经得到广泛研究和应用，如分布布拉格光栅。

光子晶体的制备及其应用光子晶体，是一种能够控制光子传导和储存的新材料，在光子学、光通信、微电子学、化学和生物医学等领域有着广泛的应用。

本文将介绍光子晶体的制备方法及其应用。

一、光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法主要包括模板法、垂直自组装法、微影法等，其中模板法是目前应用最广泛的制备方法之一。

以下分别介绍这三种方法。

1. 模板法模板法是通过在模板表面沉积光子晶体的方法来制备光子晶体的。

模板一般有硅胶、聚氨酯、聚焦炭等材料，具体的制备步骤分为以下几个步骤：(1) 制备模板先制备好需要成为模板的材料，如硅胶。

将硅胶涂在玻璃表面，然后将其放入硫酸铜溶液中进行氧化，使硅胶在玻璃表面形成孔洞。

(2) 沉积光子晶体将需要制备的光子晶体材料制成溶液，然后将其滴到硅胶孔洞中，等待其自主形成晶格结构。

最后，用乙醇将硅胶与溶液分离，即可得到光子晶体。

2. 垂直自组装法垂直自组装法是一种利用表面张力使自组装颗粒排列成为光子晶体的方法，主要分为三个步骤：(1) 表面处理将衬底表面进行化学或物理处理，使得粒子可以自由组装。

(2) 悬浮颗粒将粒子置于液体中，然后将液体滴到表面处理后的衬底上，利用表面张力使粒子自动排列成为光子晶体。

(3) 固化晶体将光子晶体放置于紫外灯下进行固化，以保持其原有结构。

3. 微影法微影法是一种通过光默认技术制备光子晶体的方法。

以二氧化硅为例，其制备步骤如下：(1) 制备基板将尽量平整的硅片进行表面处理，使得光可以很好地穿透并形成图案。

(2) 光刻将需要形成的光子晶体图案进行设计，然后用光刻胶对硅片进行覆盖。

(3) 电荷转移将光照射光刻胶，使其发生电荷转移，从而使得光刻胶固定。

(4) 刻蚀利用刻蚀技术将硅片中的光刻胶和不需要刻蚀的硅部分进行区分，最终得到光子晶体。

二、光子晶体的应用由于其微小的尺寸和无规则的结构，光子晶体具有许多惊人的特性和应用。

以下列举几个主要的应用领域：1. 光子学作为一种光绝缘体材料，光子晶体具有很多特殊的光学性质。

关于光子晶体的构成与特性光子晶体是一种具有特殊的光学性质的材料，由于其独特的结构和特性，被广泛用于光子学、光电子学、纳米技术等领域。

本文将介绍光子晶体的构成及其主要特性。

一、光子晶体的构成光子晶体是由孔径微米级别的周期性结构组成的材料。

它的构成与晶体类似，但光子晶体是针对光波长而设计的，因此它的周期长度与光波长具有相似的比例关系。

为了构成周期性结构，光子晶体通常采用人造、天然和自组装等方式进行制备。

人造光子晶体：人造光子晶体是利用周期性的材料相嵌入到另一种不同介质中，形成周期性结构。

这种结构具有高度的可控性和可重复性。

人造光子晶体的制备方式包括从上到下的刻蚀、从下到上的堆叠、3D打印等。

天然光子晶体：天然光子晶体是一种自然形成的周期性结构材料，如蛋白质晶体、翅膀、羽毛等材料中的结构。

这些天然光子晶体由于形成时间长，所以材料性质稳定，但制备难度大，制备成本也高。

自组装光子晶体：自组装光子晶体是利用类似半导体材料的微米球来自行组装形成的材料。

这种材料具有自组装、制备简单等特点。

但由于完全依靠自组装，所以其周期性结构需要进一步探究。

二、光子晶体的特性光子晶体具有许多优异的光学特性，可广泛应用于各种光电子学和光子学装置中，包括波导、过滤器、激光、液晶和超材料等。

1. 光子禁带：光子禁带也称作光子带隙，是指在特定波长范围内，光波无法在材料中传播。

这种现象类似于晶体中的电子禁带，但它是针对光子的。

由于光子禁带特性，光子晶体可以有效的控制光波的传播和过滤，具有重要的应用价值。

2. 光学拓扑：现代拓扑学已成为一个热门领域，光学拓扑也因此得以应用到光子晶体中。

光学拓扑是指光子晶体中的光波只能在某些路径中传播，而在其他路径中无法传播。

因此，在光学器件最小的情况下，光子晶体器件可以实现更高效的信号处理。

3. 负折射率：光子晶体的另一个独特特性是负折射率，也就是折射率小于零。

这种特性是由于光波在材料中回中心反向传播，导致折射率出现负值。

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。