含负折射率材料光子晶体的光学特性

光子晶体的性质与应用光子晶体是一类具有周期性结构的光学材料，通常由两种或多种材料组成，这些材料呈现出了周期性的光学参数。

光子晶体的周期性结构，使得它具有一些特殊的性质与应用。

一、光子晶体的性质1.1 光子带隙光子晶体具有光子带隙，光子带隙是光子能量不允许通过的区域，类似于晶体中的禁带。

具有这个性质，所以光子晶体对特定波长的光线呈现反射或吸收现象，也因此具有良好的光学过滤和反射效果。

1.2 负折射率光子晶体不同于一般材料，它可以具有负的折射率。

这种特殊性质也被称为“光学超介质”，提供了制造一些控制光波行为的新途径。

在模拟全息成像、隐形光学、纳米光学器件等多个领域都有具体应用。

1.3 自显影光子晶体具有自显影的特性，即在光照射下，光子晶体能够通过光聚合发生构型变化。

这个特性可以用于制造微观光学器件、光子晶体电路、以及光学计算。

二、光子晶体的应用2.1 光子晶体光伏材料光子晶体通过调整材料的性质和结构，可以做成高效光伏材料，光子晶体太阳能电池在提高转换效率的同时，还能降低重量、厚度、成本等因素。

2.2 光子晶体传感器光子晶体还可以通过外部的物理、化学、生物因素等引起材料结构的改变，使光学特性发生改变，因而光子晶体成为非常有用的传感器材料。

例如，光子晶体传感器可以用于检测空气中的气体浓度、湿度、温度等，并且具有快速的反应速度和高灵敏度。

2.3 光子晶体光学器件光子晶体还可以作为光学器件的制造和控制材料。

它被广泛应用于制造滤波器、反射镜、透镜、波导等光学元件。

光子晶体的微小结构和周期性使得可以制造具有可控波长的微分光学元件，具有定制化和精密化的优势。

2.4 光子晶体纳米粒子光子晶体纳米粒子的结构变化对于它们的光学性质也有很大的影响。

例如，光子晶体纳米粒子可以通过改变内部的结构，来切换不同的发光波长，其在生物成像和检测、量子信息等领域都有广泛的应用前景。

在实际应用中，光子晶体材料的制备技术得到了快速发展。

也有很多的研究机构和公司开始将光子晶体技术过程转化为生产中的应用。

光子晶体负折射的理论研究光子晶体是一类具有周期性结构的材料，它能够通过控制光子的行为来实现负折射效应。

负折射是指电磁波在光子晶体中传播时，与通常情况下相反的折射定律。

在常规材料中，光线在折射率变化的边界上发生折射；而在光子晶体中，光线会朝着折射率变化的边界传播。

光子晶体具有带隙结构，它的折射率在一定的频率范围内是禁止的。

当光线传播到这个频率范围内时，它将发生全反射。

这是因为在光子晶体中，光线受到周期性结构的影响，周期性结构的空气和材料层会形成相互作用，从而使得光线无法通过。

在这个频率范围外，光子晶体的折射率是允许的，这样光线就可以通过光子晶体。

与常规材料不同，光子晶体的反射和折射定律是以一种完全不同的方式工作的。

光子晶体中发生负折射的原理可以通过布里渊区的概念来解释。

布里渊区是光子晶体中的一个特殊区域，具有反射和折射的特殊性质。

当光线经过布里渊区时，它会发生反向传播，而不是沿着传统的折射方向传播。

这就是光子晶体实现负折射效应的基本机制。

光子晶体负折射的理论研究主要包括计算和模拟两个方面。

计算方法主要是根据光子晶体的结构参数，使用数值方法来计算折射率和传输矩阵等关键参数，从而研究光子晶体的负折射效应。

这些计算方法包括传统的计算机模拟方法，如有限差分时间域（FDTD）方法、有限元方法等，以及更多基于量子力学的方法，如密度泛函理论（DFT）等。

模拟方法主要是通过建立物理模型和进行数值模拟来研究光子晶体负折射现象。

这些模拟方法包括经典的光学模拟方法，如光线追迹法、菲涅耳环装置等，以及量子力学模拟方法，如有效介电函数方法、格林函数方法等。

在光子晶体负折射的理论研究中，还有一些重要的问题需要解决。

例如，如何在实验中观察到光子晶体的负折射效应，以及如何优化光子晶体的结构和性能，以实现更好的负折射效应。

此外，光子晶体负折射的物理机制还需要进一步研究和理解。

光子晶体的结构和光学特性光子晶体，又称为光子带隙材料，是指具有周期性的折射率分布的材料，能够通过控制光子的行为，实现对光的操作和调控。

它的折射率分布几乎彻底地阻止了某些波长的光在材料内的传播。

光子晶体的特殊结构使得它具有独特的光学特性。

首先，光子晶体可以形成光子带隙。

光子带隙是指光子不能通过的频率范围，这就像晶体带隙，阻止电子通过一般，光子带隙也阻止了某些频率的光子通过光子晶体。

其次，光子晶体的禁带宽度取决于材料的周期和折射率差异，可以通过改变材料的周期和折射率等参数来控制光子带隙的宽度和位置。

最后，光子晶体的光学特性还包括正常衍射和负常衍射，以及光子晶体的非线性光学行为等。

光子晶体的结构主要有两种：一是一维光子晶体，它由多层纵向分布的周期性结构组成，其周期和布拉格衍射中的禁带的宽度和位置密切相关；二是三维光子晶体，它是一种由周期性排列的孔洞或球体组成的晶体材料，与一般的立体晶体类似。

与一维光子晶体不同的是，三维光子晶体拥有三个中等禁带和两个大禁带，同时，它可以产生不同的光子能带和非线性光学性质。

光子晶体在实际工业应用中具有广泛的用途。

例如，光子晶体可以作为光学传感器，可以测量物质的折射率变化；它可以用来增强光子定向发射，从而提高光通信的速度；还可以应用于太阳能电池、LED灯、激光器等光电器件的优化设计中，以提高能量转化效率。

除此之外，光子晶体还可以应用于微纳光学器件、光子晶体慢光器、光子晶体超透镜和光子晶体光波导等，这些器件具有极高的性能，有助于提升光学器件的性能和效率。

在未来，随着科技的不断发展和进步，光子晶体的应用将会更加广泛和重要。

人们正在研究和探索光子晶体的新领域和新应用，如光子晶体传感、光子晶体数据传输信道、光子晶体太阳能电池等，这些领域具有广阔的前景和多样的应用需求。

总而言之，光子晶体是一种具有独特结构和光学特性的新型材料，在光电子学、新材料、信息技术等领域中拥有广泛应用前景和巨大的发展潜力。

有关负折射率材料请不要从网上COPY那些到处都是的资料，谢谢。

1 负折射率材老一般都是什么成分，结构2 材料目前有哪些缺点3 改进的办法中国科学院网2005年7月12日报道近日，由中国科学院物理所张道中研究员领导的光子晶体研究小组与北京师范大学物理系的张向东教授合作，在负折射介质的理论和实验研究方面取得突破。

研究人员发现，十二重对称的电介质准晶光子结构也会出现负折射效应，而且在某些性能上优越于光子晶体负折射介质。

研究人员首先运用精确的多重散射方法计算了具有十二重对称性的准周期排列的三氧化二铝陶瓷圆棒构成的光子结构的透射谱，发现了光子带隙的存在。

这和周期排列的光子晶体结构十分类似。

进一步的计算发现，当频率处于带隙上头的光束通过一个直角棱镜的斜边时，发生了明显的负折射现象。

从入射角和折射角的数值，以及折射公式，可以推断出准晶光子结构的有效折射率的数值来。

研究人员随后开展了微波波段的实验测量，证实了理论预言。

在某些频率窗口，准晶光子结构的折射率可为理想值-1，而且空间色散小，接近各向同性材料。

这和十二重对称的准晶光子结构的高空间对称性是相符合的。

负折射介质的一个重要应用是透镜成像。

理论和实验均表明，所制备的准晶光子平板结构确实能够对从点光源发出的电磁波起会聚和成像作用。

而且，所成的像可在近场区域之外，像距随物距的增大而线性增大，这些特征和一个理想的折射率为-1的介质平板的折射和成像行为十分吻合，充分表明了所制备的准晶光子结构具有优良的负折射性质。

由于所用的电介质材料无吸收，可以预计，所研究的结构可以直截了当地推广到更加感兴趣的可见光和红外波段区域。

上述的结果已经发表在6月24日的Physical Review Letters 上[Vol. 94, 247402, 2005]。

目前，研究人员正在深入探索这些准晶光子结构出现负折射效应的深层次的物理根源。

据悉，近几年来，负折射介质由于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景而获得了国际学术界的广泛关注。

负折射率材料一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。

这种被称为负折射率材料(“左手材料”）的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐,对其的研究正呈现迅速发展之势。

负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。

到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。

这种负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛关注.早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料（1eft—handed media）,他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。

由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料.负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质,比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中都会出现。

电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。

负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。

而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想.物理学中,介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量.在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值,电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料（right-handexlmalefials，RHM)。

这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。

1968年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现,即:当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。

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。

光子晶体中的光学现象光子晶体，是一种具有周期性结构的材料，它由周期性排列的禁带区（空气或某种材料）和高折射率的介质组成。

在光子晶体中，由于其特殊的结构和光的干涉效应，产生了一系列引人注目的光学现象。

首先，光子晶体中存在的光子带隙效应是其最显著的特征之一。

光子带隙是指在某个频率范围内，光的传播受到禁止，光子无法穿过晶格结构而被反射或吸收。

这意味着在光子带隙范围内，特定频率的光无法传播，而其他频率的光可以自由穿过光子晶体。

这种带隙效应使光子晶体在光学器件中得到广泛应用，例如制备光电探测器和光纤通信中的光纤滤波器。

其次，光子晶体具有负折射率特性，也就是通常所说的“逆向折射”。

传统的材料在电磁波传播过程中都会表现出折射现象，即电磁波传播速度改变导致传播方向偏转。

而光子晶体中的负折射率材料则会导致电磁波传播方向与其传播速度反向。

这种反常的折射现象为制备超透镜、超材料和隐身技术提供了理论基础。

光子晶体中还存在着频率变换效应。

频率变换是指当光穿过光子晶体时，其频率发生改变。

这一现象可以通过光子晶体的非线性效应来实现。

非线性效应，简单来说，就是材料的光学性质与光强成非线性关系。

在光子晶体中，当光通过时，由于光的频率和幅度的关系，会导致光子晶体内的光频率的改变。

这种频率变换效应在光谱学、光通信和光储存等领域具有重要的应用潜力。

此外，光子晶体还展现出一系列光线的传播方式，如光的弯曲、衍射和散射等。

光子晶体中的光线传播可以被描述为类似电子在晶格中的行为，即光子在光子晶体空间周期性结构中传播的特定路径。

由于光子晶体特殊的几何结构，光可以在晶格中被限制、控制和操纵。

这为光学显微镜、光学波导和激光器设计提供了新的思路和方法。

最后，光子晶体中的声光效应也是光学领域中一个备受关注的课题。

声光效应是指声波和光波之间的能量转换和耦合现象。

光子晶体的特殊结构能够实现声光耦合的效应，使得通过声波的操控能够影响到光的传播和特性。

声光效应在光学信息处理、声光调制器和光声显微镜等方面有着广泛的应用。

含负折射率介质的光子晶体量子阱的透射谱特性研究黄创高;焦美娜;卢强华;高英俊【摘要】The transmission spectra and dispersion relationship of the model [(AB)5(CD)n] 2 (AB)5 of one-dimensional photonic crystal ( AB)m (CD)n ( AB)m (CD)n ( AB)m is calculated by means of the transfer matrix method including negative refraction materials. The phenomenon of splitting is analyzed. The results show that at the same cycle period the transmission spectra numbers of C and D media with either all the equal right-handed materials or left-handed materials are different. The right-handed materials have two double transmission peak more than left-handed materials. No matter that C and D media are either all the equal right-handed materials or left-handed materials, when n is an evennumber,transmission peaks have long distance each other. When n is an odd number, transmission peak number equals to the periodicity ofn1. The transmission index changes with the change in refraction index of C and D media. These features can be used for the design of multi-channel tunable filter and ultra-deuse wavelength division multiplexing.%构建具有双量子阱结构的一维光子晶体(AB)m(CD)n(AB)m(CD)n(AB)m的物理模型[(AB)5(CD)n]2(AB)5,考虑介质为正折射材料或负折射材料情况,利用传输矩阵法对不同的n取值及C、D材料进行色散关系和透射能带谱的数值计算与分析,揭示光子遂穿多量子阱结构时谱线条数及其分裂的规律性.结果表明,当重复周期数n相同时,C、D介质均为相等的正材料或均为相等的负材料透射谱的条数不同,相同的周期数n对应的正材料光量子阱比负材料多2条双透射峰.而且无论C和D介质均为相等的正材料或为相等的负材料,当周期数"为偶数时,透射峰之间的距离较远,当周期数n为奇数时,透射峰的条数与周期数为n-1时相同,而且透射峰之间距离较近.如果改变双负介质C、D材料的折射率,透射谱的高度将随之改变.这些现象为光子晶体实现多通道滤波器和发展光通信超密集波分复用提供理论指导.【期刊名称】《广西科学》【年(卷),期】2011(018)002【总页数】4页(P140-143)【关键词】光子晶体;量子阱;谱线分裂;透射谱【作者】黄创高;焦美娜;卢强华;高英俊【作者单位】广西大学物理学院,广西南宁,530004;广西大学物理学院,广西南宁,530004;广西大学物理学院,广西南宁,530004;广西大学物理学院,广西南宁,530004【正文语种】中文【中图分类】O431量子阱的概念是由Esaki和Tsu提出的[1]。

负折射率材料的特点及其应用背景自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。

直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。

由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。

Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。

没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。

19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。

不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。

【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。

2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。

【6】图1.负折射率的超材料近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。

随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials ）。

超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超低折射率材料和超高折射率材料等。

【7】正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。