光子晶体的应用与发展

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摘要光子晶体通常是指折射率随空间周期性变化的人工介质材料，当波长与其结构周期为同一个数量级的光波在其中传播时会表现出明显的色散特性，并在色散关系中呈现出类似于半导体能带的结构。在能带之间会出现频率的带隙，使得相应频率的光或电磁波在光子晶体中找不到对应的导波模式，从而无法传播。由于强烈的色散和光子带隙的存在，使得光子晶体区别于自然界的普通材料表现出如负折射等，慢光，平板成像等新奇的电磁现象。大量的学者通过对光子晶体近30年的理论和实验的研究，解释这些电磁现象的产生，并把光子今天运用在了许多崭新的领域中。开毕业论文主要回顾了光子晶体的特殊电磁特性、主要制备方法和应用。48182

毕业论文关键词：光子晶体；特性；制备；应用

Abstract

Photonic crystals are artificial periodic dielectric materials with spatially changed refractive index. When light waves with the wavelength comparable to periodicity propagate in the photonic crystal, it will exhibit a strong frequency dispersion, which is similar with the electric band structure in semiconductor. There are band gaps in some frequency range, in which light or electromagnetic wave with the corresponding frequencies have no propagating mode in the photonic crystal. Because of the photonic band gap and strong dispersion near the band gap, the photonic crystals show quite different characteristics from natural material, such as negative refraction, slow light and so on. Due to the numerous studies in photonic crystal in recent three decades, both theoretically and experimentally, those novel electromagnetic phenomenon have been well explained. Today, the photons crystal have used in many fields. The thesis is manly dedicated to review the special electromagnetic phenomenon of photonic crystals, and its main preparation method and some applications.

Keyword: Photonic crystals； Property；Preparation；Application

引言： 5

光子晶体的特性 5

1.1光子带隙 5

1.2光子局域现象 5

1.3负折射效应 5

1.4抑制自发辐射 6

2.光子晶体的制备 6

2.1传统的机械加工方法 6

2.2光刻法 7

2.3.逐层叠加法 7

2.4在阳极氧化铝中的光子晶体制备 7

2.5.特殊制备方法 9

3光子晶体的应用 10

致谢 13

引言：光子晶体的概念最早是由 John教授的实验小组在1987年提出。他们的主要研究工作集中在周期性介质结构对于光传播的影响。在半导体理论中，人们知道由于半导体内部原子的周期性排列，使得半导体中会产生周期性的势能场，从而使得在其内部传播的电子由于Bloch散射形成的能带结构，带与带之间的间隙，或者称为禁带。于此类比， John教授等人认为光子在周期性电介质结构材料中传播的时候也能形成相应的“光子能带”的结构，而之间的带隙称为光子带隙（PBG），也就是相应频率的光子无法在其中传播。通过进一步的研究，人们发现光子晶体的能带结构以及光子在其中的传播主要由介质的折射率之比，以及结构的变换周期周期决定。这就意着如同在半导体的集成电路中人们控制电子的运动一样，人们可以通过设计和制备不同的人工周期结构来实现对于光子传输的有效控制。这一性质极大的激发了学者对于光子晶体研究的兴趣。随着研究的深入，人们发现了光子晶体的许多新奇电磁特性，如慢光效应、光捕获、超棱镜现象、负折射现象、超准直效应等等，这些特有的现象使得光子晶体可能对光通讯、光电子器件、集成光路、太阳能电池、高效率发光二极管、纳米激光器等信息通信以及能源领域将产生重大影响。