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一维光子晶体研究进展.pdf

一维光子晶体研究进展.pdf

上传者: 133*****842@sina.cn 2013-07-26 评分 4.5 0 61 8 276 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《一维光子晶体研究进展pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含一维光子晶体研究进展张拥华仇欣杰李宏强陈鸿k同济大学波耳固体物理研究所上海usss|ul摘要一维光子晶体由于其制备的优势以及对光传播模式控制的优异性符等。

一维光子晶体研究进展张拥华仇欣杰李宏强陈鸿k同济大学波耳固体物理研究所上海usss|ul摘要一维光子晶体由于其制备的优势以及对光传播模式控制的优异性能使其在不同研究领域得了广泛关注q文章介绍了一维介电以及金属p介电光子晶体的最新研究进展和应用前景o并系统综述了一维材料中全向能隙!布儒斯特角控制!超折射光学效应以及光子局域化等对光传输的影响q关键词一维光子晶体o全向能隙o布儒斯特角o超折射o光子局域化ΠΡΟΓΡΕΣΣΟΦΟΝΕΔΙΜΕΝΣΙΟΝΑΛΠΗΟΤΟΝΙΧΧΡΨΣΤΑΛӝ‹„‘Šª‹Œ˜Œ‹ªª‹‘‹ªkΠοηλΙνστιτυτεοφΣολιδΣτατεΠηψσιχσoΤονγϕιΥνιϖερσιτψoΣηανγηαιusss|uoΧηιναlΑβστραχτ⁄µµµµªµªoµµªµµµµµµq„µªµªµµoºµªoµ…µºµχªoµµµªµqΚεψωορδσµoµªo…µºµχªoµµµoª国家自然科学基金k批准号}t||wzssx~y||s{ssx~t|zuxwtyl!上海市应用物理中心k批准号}||twss{l资助项目usssptupsz收到自t|{z年和分别独立地提出光子晶体和光子能带结构的概念以来tou o光子晶体的理论研究和相关实验及其应用得到了迅速的发展q尤其是近年来o这一领域发表的论文数量呈现出几何级数的增长ot|||年底o光子晶体方面的研究还被科学杂志评选为十大重大进展的领域之一q关于光子晶体基本性质的研究及其应用o已在一些文章中阐述vow q近年来一维光子晶体的研究取得了一系列显著进展q一维材料中存在类似三维的全向能隙结构o使其可能用于二维!三维器件的设计~一维材料中可以存在高增益的局域光场以及显著的光延迟效应o可以预期与之相关的一系列非线性效应o如高次谐波的产生!光学双稳态等~一维光子晶体中还存在超折射现象~由于其具有控制光模式及其光传输的优异能力o比二维!三维光子晶体易于制备o所以一维光子晶体在光子晶体应用中占据了重要地位q本文综述了一维光子晶体的最新研究进展o从效应和物理机制两个角度入手分别介绍了一维光子晶体中的全向能隙结构!布儒斯特角的控制!态密度的分布及其控制k并进而控制光子晶体中的光输运过程如光延迟和带边激光l!一维金属p介电光子晶体!二次谐波产生和光学双稳态等非线性效应以及光子局域化等o并探讨了其可能的应用前景qt一维光子晶体的全向能隙结构金属反射镜的反射率不依赖于入射角度o但由于金属材料对入射电磁波有很强的吸收o使得反射率不高q而传统的多层高反膜的反射率则会随入射角度的增大而降低qt||{年o等人指出o一维光子晶体由于有限的边界o也会出现类似于二维和三维的全向能隙结构q其色散关系图中能够形成不依赖于入射光偏振方向和入射角的一个较宽的全向带隙x q⁄ºª还从理论上分析了一维光子晶体出现全向带隙的必要条件y 是}Αt€µνsνtΑ…€µνuνto式中Αt是当入射光从周边介质νs掠射到介质νt中的最大折射角oΑ…为介质νt和νu的分界面的布儒斯特角q我们从一维光子晶体的角度色散关系图k图tl#yty#物理也可以看出z o只有当ΑtΑ…时o才可能出现整个入射角都不能透过的带隙o其中Α…对应波的能带闭合点q并且当νsΠνt和νuΠνt增大时oΑt将减小oΑ…增大o进而更加满足上式的条件o且使全向带隙变宽q文献z 还设计了t|个周期的‘v„ƒyН多层膜光子晶体结构o通过计算和实验测量都得到了在sβ)ysβ入射角范围内o对于波k波l具有yss){sskyvs)zssl的||h高反射带隙q图t归一化频率和入射角度的色散关系图k此一维结构的折射率分别为νt€twoνu€vwo周边介质为空气oνs€tq图中实线为波能带图o虚线为波能带图o阴影部分为全向能带区l一维全向带隙光子晶体可广泛应用于微波天线!透射光栅!光波导等器件的研制q在其中引入缺陷还可用于制作高品质!低损耗的谐振腔o可用于微波源或激光器的谐振腔q此外o一些研究组还利用化学的溶胶p凝胶方法制备了全介电的’uΠ’u全向带隙一维多层膜{ o在可见光波段sβ){sβ入射角范围内实现了zs宽的禁带q若在’uΠ’u多层膜中间掺入多孔的’u杂质层o则在txΛ的红外频段可以得到品质因子Θ为vx的谐振微腔q由于溶胶p凝胶方法的工艺简单!适合大面积制备以及抗高温!腐蚀!辐射等优点o将使得一维全向带隙光子晶体得到更加广泛的应用qu一维光子晶体中布儒斯特角的控制传统的多层高反膜多为四分之一波片的周期结构o高反频段不宽o受到极化方向和入射角度的限制q尤其是p波k波l的反射率对入射角非常敏感o随着角度的增大而会显著降低o这和布儒斯特角有很大关系q在一维全向光子晶体中o为了获得更宽的全向带隙o要求内反射角不大于布儒斯特角Α…€µνuνto以便得到全向能隙q所以选取适当的材料和合适的结构以便控制布儒斯特角的研究是非常重要的q•µ等人| 最近利用高分子聚合物超强的双折射光学kªµµªl性质制备了多层膜反射镜o可对布儒斯特角进行控制q这种材料可以根据要求o在不同的方向设计成具有不同的折射率差的各向异性材料多层膜o通过计算得到其Α…可以为任意角度o甚至可以为虚数值q图u为通过改变各层的不同方向的折射率差而得到的相应的Α…的值以及归一化界面间反射率与入射角的关系图o其中曲线αoβoχ和δ所对应的α…分别为sβovsβoxuβ和ztβo曲线ε表示Α…不存在o即p波的反射率不随入射角度而变化o曲线φ表示Α…为虚数值o即p波的反射率随入射角度的增大而增大q图u改变不同方向的折射率差o所得相应的Α…的值以及归一化界面反射率与入射角的关系图klŠ…’多层膜νtψ€tyvoνtζ€txoνuψ€tyvoνuζ€tyvoΑ…€sβ~klŠ…’多层膜νtψ€txwoνtζ€tyvoνuψ€txoνuζ€txoΑ…€vsβ~kl各向同性一维体系νtψ€uwoνtζ€uwoνuψ€twyoνuζ€twyoΑ…€xuβ~kl各向同性一维体系νtψ€xsoνtζ€xsoνuψ€tx{oνuζ€tx{oΑ…€ztβ~klŠ…’多层膜νtψ€t{oνtζ€txoνuψ€txoνuζ€txoΑ…为虚数~klŠ…’多层膜νtψ€t{oνtζ€txoνuψ€txyoνuζ€txyoΑ…为虚数具有Š…’性质的多层高分子聚合物膜可广泛应用于各种光学器件q例如}可制备用于光纤通信的高效率反射镜和高反膜等~可用于反射偏振镜的研制~应用于液晶显示o可以获得更亮!更清晰的视觉效果~还可用于制备各种装饰品!防伪膜和光电元件等等qŠ…’薄膜很薄而有柔韧性o无需基底材料o制备工艺简单o可制造tss)tsss层o适用于大规模工#zty#vs卷kusst年lts期业化生产qv一维光子晶体态密度的分布及应用光与材料相互作用在许多情况下取决于材料中光子态的态密度o一维光子晶体对光子态密度就有很强的修饰效应o从而根据要求控制光子输运过程q图v为一维全介电光子晶体的态密度分布简图o下面就态密度的分布对一维光子晶体中光输运过程和光延迟的影响以及带边激光的应用等作简单介绍q图v一维全介电光子晶体态密度分布简图和透射谱图kl没有引入缺陷的态密度图~kl引入缺陷的态密度图超折射现象在光子晶体带边o当有效介电常数趋于零时会出现一种超折射现象kµµµlo这种超折射现象具有对入射光束的展宽和分光等一些奇特的效果q根据等人ts 的研究可知o在无吸收的光子晶体导通带o其有效介电常数Ε为大于t的实数o随着波长的变化o在带边附近o过渡到截止带时o透射光光强成指数衰减o光子晶体变得不透明o此时Ε为一负实数o所以必定存在一点o其Ε变为零q而随波长变化的Ε又必定依赖于入射角度Ηo所以在Ε等于零附近o会出现一些快速变化的透射峰o在透射峰处o相应的透射相移会随入射角度的较小变化而快速变化q这时会出现奇异的超折射现象qƒ等人从理论和模拟计算的结果来解释一维光子晶体中存在的超折射现象q利用传输矩阵法推导能带结构的理论计算得出入射光频率和入射角度的色散关系图k见图wlq在带边附近即对应频率Ξt处o正入射时处于光子晶体导通带o随着角度的增大o会逐渐过渡到禁带o在Ξu处正好相反q所以当一束随角度高斯分布的入射光正入射时o其频率正好落在导通频率Ξt附近时o出射光束将被展宽~若频率正好落在禁带频率Ξu附近时o出射光束将被分成两束光q图w布拉格镜多层膜的角度随频率色散关系图介电常数Εt€toΕu€wo厚度ηt€ηu€αk晶格常数l 时间延迟效应我们知道o在铷气体和超低温的一些原子气体中会出现超低的群速度o这一反常现象主要是由于在电磁感应透明气体的完全吸收的背景中有一很窄的透射峰o导致一个正斜率的很陡的色散曲线而产生的o此效应可设计光学延迟线q一维光子晶体能带结构的带边附近也有一个很陡的透射峰o使其有效折射率快速变化o光脉冲的群速度同样被降低q但由于透射峰的一边是导通带o另一边是截止带o峰不是很窄o脉冲的时间延迟只提高了约tsu的量级q如果在光子晶体中通过掺杂引入缺陷态o那么在截止带中就形成一个可以导通的缺陷频率o与该缺陷频率共振的光脉冲就可以隧穿通过光子晶体q由于该缺陷峰非常狭窄o这将会大大的降低其群速度o从而产生更长的时间延迟o这一特性也可用于光学延迟线的设计tt q#{ty#物理在有限周期性层状结构中o光子晶体中的传播电磁波的群速度为ϖª€ŽΞkΚlo态密度为群速度的倒数o即ΘkΞl€tΠϖªo在缺陷频率处o光被高度局域o此处的态密度会很大o因此其群速度就会很低o从而达到时间延迟的作用q所以通过对一维光子晶体态密度的控制可以产生时间延迟效应q带边激光根据⁄ºªtu 课题组的近期研究o对于足够大的折射率调制的一维光子晶体o在能带带边处o入射到晶体中的光子模密度的异常性可导致低阈值带边激光k…l的产生q由前面的分析我们知道o在光子晶体的带边处o光子的群速度ϖª会大大降低o相应的有效光程增大o此时光子模密度增大o将获得较高的光增益qŽ等人tv 也从实验上实际测得o在一维胆固醇液晶薄膜中o自发辐射率会被禁止在能带的带隙中o而在带边将得到增强这一特性q与传统的分布式反馈k⁄ƒ…l激光器比较o⁄ƒ…是在较窄的光子带隙的中间产生o需要几百个周期和很小的折射率调制o而…是在较宽的光子能带的带边产生o需要us个周期左右和较大的折射率的调制qw一维金属p介电光子晶体众所周知o传统的金属反射对入射电磁波在微波波段有很强的吸收o其应用受到一定的限制q由于一些介电和半导体材料在可见光是透明的o我们可以把介电材料嵌入分层的金属膜中o构成介电系数周期性排列的金属p介电光子晶体o这种周期性结构可将金属与透明介质的性质有机的结合起来q根据µ等人的最近研究tw o金属p介电光子晶体可以呈现在可见光波段透明o在紫外和红外波段至微波不透明的特性q波长为Κk频率为Ξl的电磁波入射到金属表面的趋肤深度Δ€χΠuνΞ€ΚΠwΠνo其中ν为金属的有效折射率的虚部q通过计算可知o在可见光波段oΔ约为ts)txk如对于„ªoΔ€tvl~在紫外波段和微波波段Δ约为tspu左右甚至更小q所以用ts左右的金属层和介电材料组成金属p介电层状光子晶体可以有较强的共振隧穿效应o从而在可见光波段可以具有较高的透射率~而对于紫外和红外及微波波段o由于金属介电界面的强烈反射和很小的趋肤深度o使其在这两波段几乎是不透明的o从而得到可见透明!微波!紫外高反的光谱特性q如图x为„ªΠªƒu一维光子晶体以及等同的„ª块体的透射谱谱图q一维金属p介电光子晶体的这一特性可以广泛应用于透明导体材料的设计!眼睛防激光保护器!热反射窗和液晶显示等q图x„ªΠªƒu一维光子晶体以及等同的„ª块体的透射谱谱图实线为w个周期的„ªktslАªƒukttsl一维光子晶体透射谱图~虚线为ws的„ª块体材料的透射谱图 等人tx 发现由金属膜和两种介电材料构成的层状光子晶体还存在全向能隙结构q他们设计了vx个周期的kytzlАªƒukxuxlp„ªkt|lpªƒukxuxl一维光子晶体o从计算和实验测量结果可得到在可见光区间具有从wus)yys的uws宽的高反射全向带隙o而且由于金属介电光子晶体的能带对于可见光波段的入射电磁波的共振隧穿效应o可以大大降低金属层对电磁波的吸收o损耗很小o对于入射光的偏振选择也不明显q可以预见o金属p介电一维多层膜光子晶体将获得更为广泛的应用qx一维光子晶体的非线性效应前面提到o一维光子晶体可以对光子态密度进行修饰q利用这一特性o可以通过对态密度的控制o改变晶体中光场的能量分布o使能量主要聚集在晶体的非线性材料部分o从而提高非线性效应q另外o通过恰当地设计晶体的结构o可以实现非线性过程中的相位匹配o从而进一步提高非线性效应q因此人们的注意力就集中于寻求或设计合适的一维光子晶体结构来增强非线性效应q双共振二次谐波产生一维光子晶体带隙两边的光子的态密度很高o将基波和二次谐波分别位于带隙的带边位置o从而#|ty#vs卷kusst年lts期提高二次谐波产生的效率o这就是所谓的双共振二次谐波产生q通过恰当地设计周期结构的参数o可以满足发生二次谐波双共振的条件o而且此时光波的相互作用是相位匹配的qŽ等人ty 提出了下面这样一种结构}它有Ν个周期o每个周期包含w层o表示为kΑΒΧΔlΝo但Α与ΧoΒ与Δ分别是相同的材料q即νΑoΧ€νtoνΒoΔ€νuq设计每层的厚度分别为kΞsΠχlνΑδΑ€ktpΑlΠ~kΞsΠχlνΒδΒ€ΑΠ~kΞsΠχlνΧδΧ€ΑΠ~kΞsΠχlνΔδΔ€ktpΑlΠq参数Α的取值在s和t之间q这样o总可以通过选择参数Α的一个取值以获得双共振二次谐波产生qΑ的值可以通过传输矩阵方法数值计算q同样o如果两激光脉冲频率Ξt和Ξu位于同一带隙相对两边的共振透射峰o会使得混频Ξ€ΞtΞu的产生效率大为提高tz q另外o掺杂结构能使得晶体中的光子态密度集中于杂质层中o如果把非线性材料置于杂质层中o能大幅度提高非线性过程的效率qµ等人t{ 就使用这样的方法来增强非线性效应q他们使用的样品器件的核心部分是掺杂层o该层两边是v‘wΠ’u四分之一波堆结构的一维光子晶体o从而构成谐振腔q设计这样的结构o使谐波频率位于谐振腔的共振态模式q对于这样的谐波与谐振腔模式共振的单共振条件而言o与体材料相比o二次谐波的能量可以增强tΠktpΡl倍q因此o通过增加反射镜的反射率Ρo可以改进谐波产生的效率q为了进一步增加二次谐波效率o使基波与谐振腔模式也发生共振o在这种情况下o腔中能量的增强为tΠktpΡlvq在这样的双共振配置下o如果使用改善了的反射率s||o则与体材料相比o二次谐波能量将会有y个数量级的增强q光学双稳态近几年来o由于光计算机的美好前景o光学双稳态吸引了不少科研工作者的注意q为了寻求合适的结构实现光学双稳态o‹和t| 将⁄ƒ…结构放置于光子晶体结构的谐振腔中q谐振腔的反射镜在同一晶体生长过程中用相同的材料制备q尽管它也是周期性多层膜o但周期与⁄ƒ…结构的周期不同q激光的工作波长位于反射镜的禁带中o同时处于⁄ƒ…结构的共振透射峰中q在这样的⁄ƒ…Πƒ复合结构中o由于谐振腔的谐振作用o⁄ƒ…区域中的光强将得到进一步的增强q由于谐振是由两种不同的机制产生的o所以需要在⁄ƒ…结构和其中一个反射镜之间放置一个相位匹配层q⁄ƒ…Πƒ复合结构中双稳态的低阈值起源于双共振效应o这使得在⁄ƒ…结构中的光场得到增强q这种结构的双稳态阈值要比相同厚度的⁄ƒ…结构低得多q和半导体的情况相似o当在光子带隙结构中引入缺陷时o带隙中将产生施主和受主缺陷态q在一维情况下o施主缺陷态频率随着缺陷层介质折射率的增加而降低q当缺陷层的折射率低时o其中的光场强度很强q因此o如果缺陷具有非线性o它的非线性效应将会有效地增强q如果在缺陷层中含有µµ非线性介质的话o缺陷态频率随着局域光的强度变化o因而透射光强度将发生变化q这意味着如果我们调节入射光频率接近于缺陷态频率o掺杂结构将对入射光产生反馈q只有具有正反馈的光学系统才能出现双稳态q文献us 考虑,ΑΒΑΒΧΒΑΒΑ,形式的四分之一波片掺杂结构q非掺杂层Χ具有µµ非线性效应q图y可以很明显看出掺杂一维光子晶体的光学双稳态过程q掺杂结构双稳态的阈值比⁄ƒ…结构要低o而且它的体积小o适用于器件使用q图y掺杂一维光子晶体的光学双稳态过程图y一维光子晶体的光子局域化光子晶体对光子的控制主要通过带隙结构来实现q因此o如何获得尽可能宽的光子带隙是光子晶体研究的关键问题之一q固体物理知识告诉我们o在半导体中引入无序会使带边的电子态发生局域化o导致有效带隙增宽o形成迁移率隙ut q同样的原理亦#suy#物理适用于光子晶体q对一维系统中光局域化的理论和实验研究表明o如果在周期性多层结构中引入无序o任何频率范围的光由于相干背反射都可以被局域o而不论它的入射角度以及它是否处于带隙中间q当在一维光子晶体中引入无序时o由于布拉格反射效应和引入无序而造成的光局域o可能使得离散的狭窄的禁带扩展成连续的禁带q通过合理地调节结构的几何参数和无序度o可以在很宽的波长范围内发生高反射q这个性质可以用在光学宽波带高反射镜上uuouv q尽管在一维强无序系统中所有波长的光都被局域o但对于某些特殊情况o仍然可以发现某些态是扩展的而非局域的o产生具有很窄透射峰的高质量的共振隧穿uw q这种效应可以用在光学滤波器上q参考文献t qq•qqot|{zox{}usx|u oq•qqot|{zox{}uw{yv 张道中q物理ot||wouv}twtª⁄q•klot||wouv}twtkl w 万钧o张淳o王灵俊等q物理ot|||ou{}v|v•oªo•ªεταλq•klot|||ou{}v|vkl x ƒo•‘oƒεταλqot||{ou{u}tyz|y ⁄ºªqot||{ou{u}t{wtz ªµ⁄‘oµ„oµ⁄„εταλq„qq„ot||{oy{}ux{ Žo„µº•o‹εταλq„qqqot|||ozx}v{sx| ƒ•oµ„oµµ•Šεταλqousssou{z}uwxtts oŠoµ⁄q’qqot|||otyt}tzttt o‘‹oª‹εταλq’qqousssotzw}tv|tu ⁄ºªoµo…µεταλqq„qqot||wozx}t{|ytv ŽŒoƒ…o‹Žεταλq’qqot||{ouv}tzsztw µo…µo„εταλqq„qqot||{o{v}uvzztx ‹oŠµª…oµªq„qqqousssozz}uvxty ŽŠoŽµ„oŽµ…q„qqqot|||ozx}tyzytz …„o…„o…Œεταλqqot|||ozs}zuxt{ ªµo•oµεταλq„qqqot|||ozw}t|wxt| ‹oq„qqqot||uoyt}utxsus •o⁄ªoª⁄qq•qot||zoxx}yvstut 方俊鑫o陆栋q固体物理学k下册lq上海}上海科学技术出版社ot||vƒªo⁄qkµlqª}ªªµot||vkl uu ª⁄oo‹•εταλq„qqqot||xoyz}uwvtuv ‹oŠŠo‹q„qqqot|||ozw}uvysuw o‹o⁄ªƒεταλq„qqqot||zozt}u{{|#前沿和动态#近场光学显微镜观察到纳米尺度的折射率变化日本京都大学研究人员用近场光学显微镜k‘’l在透明的聚合物膜上制作了纳米尺度的折射率图样o而薄膜的透明度及表面形态均未受到严重影响q实验中用的是vΛ厚的聚合物薄膜o它是用自转镀层法在甲苯溶液中把在聚合物k异丁烯酸甲脂µl中掺杂的v苯基uox诺卜拿丁u羧酸kvuoxµµuµl镀到盖板玻璃片上而成的q折射率图样是用照明模式‘’设备制作的o该设备具有一个剪切力尖端取样距离调节功能o以及一个锥形探头q锥形探头由在甲苯溶液中经化学腐蚀的!镀铝的!可通过紫外光的光纤做成q将氦p镉激光器输出的波长为vux的光耦合到光纤探头上o并在样品表面上进行扫描q激光在样品表面上的功率密度为w•Πuo扫描速率为uΛΠo扫描时间为tsq经感光异化后o样品的折射率衰减了sssyo这是用由相同的激光器输出的wwu光测出的q估计这一技术对探测微组织间的电磁力极为有用o对存储数据也可能有用qk李银安编译自µƒ•µousst年o第v期o第tv页l#tuy#vs卷kusst年lts期

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