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2006-09-16 01:09 |
光子晶體基本原理
眾所周知，很多的研究都是起源于對(duì)自然界不同領(lǐng)域存在類(lèi)似現(xiàn)象的假設(shè)開(kāi)始的。因?yàn)橛钪嫒f(wàn)物遵循著相同的規(guī)律，即使外表再怎樣的千變?nèi)f化，而內(nèi)在的規(guī)則卻是有著高度一致性。這正是宇宙的神奇之處，也是人類(lèi)難解的秘密。光子晶體的產(chǎn)生亦是如此，它是科學(xué)家們?cè)诩僭O(shè)光子也可以具有類(lèi)似于電子在普通晶體中傳播的規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的。 Al^t M0T^
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從晶體結(jié)構(gòu)圖中，我們可以看出晶體內(nèi)部的原子是周期性有序排列的，正是這種周期勢(shì)場(chǎng)的存在，使得運(yùn)動(dòng)的電子受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構(gòu)，帶與帶之間可能存在帶隙。電子波的能量如果落在帶隙中，就無(wú)法繼續(xù)傳播。其實(shí)，不論是電磁波，還是其它波如光波等，只要受到周期性調(diào)制，都有能帶結(jié)構(gòu)，也都有可能出現(xiàn)帶隙。而能量落在帶隙中的波同樣不能傳播。 g7zl5^o3 j
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簡(jiǎn)言之，半導(dǎo)體中離子的周期性排列產(chǎn)生了能帶結(jié)構(gòu)，而能帶又控制著載流子（半導(dǎo)體中的電子或者空穴）在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)。相似的，在光子晶體中是由光的折射率指數(shù)的周期性變化產(chǎn)生了光帶隙結(jié)構(gòu)，從而由光帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)。 ;U(]#pW!t
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光子晶體的結(jié)構(gòu)可以這樣理解，正如半導(dǎo)體材料在晶格結(jié)點(diǎn)（各個(gè)原子所在位點(diǎn)）周期性的出現(xiàn)離子一樣，光子晶體是在高折射率材料的某些位置周期性的出現(xiàn)低折射率（如人工造成的空氣空穴）的材料。如下圖所示的光子晶體材料從一維到三維的結(jié)構(gòu)，可以明顯看出周期性的存在，而且三維光子晶體的結(jié)構(gòu)圖與普通的硅晶體單從結(jié)構(gòu)是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性結(jié)構(gòu)就可以產(chǎn)生光子晶體帶隙（Band Gap，類(lèi)似于半導(dǎo)體中的禁帶）。而周期排列的低折射率位點(diǎn)的之間的距離大小不同，導(dǎo)致了一定距離大小的光子晶體只對(duì)一定頻率的光波產(chǎn)生能帶效應(yīng)。也就是只有某種頻率的光才會(huì)在某種周期距離一定的光子晶體中被完全禁止傳播。 A]bQUWt2
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如果只在一個(gè)方向上存在周期性結(jié)構(gòu)，那么光子帶隙只能出現(xiàn)在這個(gè)方向。如果在三個(gè)方向上都存在周期結(jié)構(gòu)，那么可以出現(xiàn)全方位的光子帶隙，特定頻率的光進(jìn)入光子晶體后將在各個(gè)方向都禁止傳播。這對(duì)光子晶體來(lái)說(shuō)是一個(gè)最重要的特性。而且實(shí)際上，這種三維光子晶體也是最先被制造出來(lái)的。 jF?0,g
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因?yàn)楣獗唤钩霈F(xiàn)在光子晶體帶隙中，所以我們可以預(yù)見(jiàn)到我們能夠自由控制光的行為。例如，如果我們考慮引入一種光輻射層，該層產(chǎn)生的光和光子晶體中的光子帶隙頻率相同，那么由于光的頻率和帶隙一致則禁止光出現(xiàn)在該帶隙中這個(gè)原則就可以避免光輻射的產(chǎn)生。這就使我們可以控制以前不可避免的自發(fā)輻射。 8!2)=8|f
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而如果我們通過(guò)引入缺陷破壞光子晶體的周期結(jié)構(gòu)特性，那么在光子帶隙中將形成相應(yīng)的缺陷能級(jí)。將僅僅有特定頻率的光可在這個(gè)缺陷能級(jí)中出現(xiàn)。這就可以用來(lái)制造單模發(fā)光二極管和零域值激光發(fā)射器（詳見(jiàn)光子晶體應(yīng)用）。而如果產(chǎn)生了缺陷條紋––即沿著一定的路線引入缺陷，那么就可以形成一條光的通路，類(lèi)似于電流在導(dǎo)線中傳播一樣，只有沿著“光子導(dǎo)線”（即缺陷條紋）傳播的光子得以順利傳播，其它任何試圖脫離導(dǎo)線的光子都將被完全禁止。理想狀態(tài)下我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一條無(wú)任何損耗的光通路。這種光通路甚至比光纖更有效。 rnK]3Ust
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近年來(lái)，光子晶體得到了越來(lái)越多的關(guān)注和推崇。科學(xué)家們從各個(gè)方面來(lái)尋求開(kāi)發(fā)應(yīng)用光子晶體的途徑。然而，光子晶體得到廣泛應(yīng)用，還需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題： ClKWf\(ii6
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1）制作可以對(duì)波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光產(chǎn)生BandGap的光子晶體還有很大的困難。 2 'fd4 rE5
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2）解決隨意在任意位置引入需要的缺陷的問(wèn)題。 +ay C 0
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3）制作高效率光子傳導(dǎo)材料的技術(shù)問(wèn)題。 {"'M2w:|D1
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4）如何將現(xiàn)在的電流和電壓加到光子晶體上的問(wèn)題。晶體結(jié)構(gòu)可在外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制下進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而成為可調(diào)節(jié)的光子晶體。該種可調(diào)節(jié)晶體結(jié)構(gòu)的光子晶體可用來(lái)制作體積微小、廣泛用於遙距通訊和衛(wèi)星通訊的遠(yuǎn)紅外激光器，亦有助研究激發(fā)態(tài)分子的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)化工生產(chǎn)、藥物研制及生物科技都十分重要。 ?2"g*Bak
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固體物理中的許多其它概念也可以用在光子晶體中，不過(guò)需要指出的是光子晶體與常規(guī)的晶體雖然有相同的地方，也有本質(zhì)的不同，如光子服從的是麥克斯韋（Maxwell）方程，電子服從的是薛定諤方程；光子波是矢量波，而電子波是標(biāo)量波；電子是自旋為1/2的費(fèi)米子，光子是自旋為1的玻色子；電子之間有很強(qiáng)的相互作用，而光子之間沒(méi)有。
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