光子晶体的应用与发展(2)

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光子晶体的特性

1.1光子带隙

光子带隙是光子晶体最重要的特征。落在禁带中的光子在光子晶体中没有相应的传播模式。光子带隙的宽窄一般由两个因素决定：1往往由光子晶体的结构中两个组成介质的介电常数的折射率之差；2两种介质在一个单元中的占比。折射率相差越大，其对应的带隙往往越大。因此，在构造光子禁带的实验中人们经常会选择砷化镓这样折射率较大的物质（n=3.6）作为基底材料。同时，不同维度的光子晶体其光子禁带的意义也完全不同。对于一维层状光子晶体，光子禁带只是针对于垂直于层状界面单一一个方向，而在垂直于该方向上依然可以存在某一介质层的导波模式；而二维的光子晶体的禁带是对于在某一平面中传输的光而言的。只有三维光子晶体的禁带是空间全方向的，通常也称为全禁带。而全禁带光子的结构设计要求在各个方向上的禁带在某一频率范围内重叠[1]。

1.2光子局域现象

由于处在禁带频率中的光子不能在光子晶体中传播，因此对于一个完美的光子晶体中，一旦在某一个或者某一些单元中引入一些缺陷，比如改变其单元结构大小，或者改变其折射率，则在该结构中就会存在一些局域的模式（缺陷模式），这些局域的模式的共振频率真好落在光子禁带中。因而在缺陷单元以外光子是无法传播的，只能够以倏逝波的形式指数衰减，光场被完全限制在了缺陷单元以内。1987，onh根据这一原理设计了光子晶体的谐振腔发现光子在其中会呈现极强的安德森局域。接着Noda等人发展了这一工作并成功的实现了在远小于波长的范围内实现光的局域并能同时获得高达45000以上的品质因子。

1.3负折射效应

早在1968，俄国科学家在理论上提出了负折射的概念，即当光波从空气入射到负折射率材料中（介电常数和磁导率同时为负值的）时，由于折射光的能留传播方向和波矢传播方向相反，因此折射光将与折射光处于法线的同一侧。虽然光子晶体不能是介电常数和磁导率同时为负值，但是由于bloch散射形成的特殊的色散曲线使得光子晶体中也能观察到类似的负折射现象。2003 Cubukcu教授首先在实现了二维光子晶体中实现了光的负折射现象。光子晶体中的负折射现象的本质在于他能够保留和放大逝波。由于负折射的现象人们可以通过一个简单的光子晶体平板就可以实现成像（实像）。同时由于光子晶体的平板成像过程中保留了倏逝波的信息，因而它的成像的分辨率可以突破衍射极限而远小于波长，从而达到“超分辨成像”。超分辨成像可以极大的改善受制于衍射极限的现有的光刻技术[2]。

1.4抑制自发辐射

又称为Purcell效应。20世纪80代前，科学家们认为自发辐射不能够人为控制。直到光子晶体引入，学者们发现将一个自发辐射原子放到了光子晶体中，而光子晶体的禁带正好覆盖其自发辐射的频率，此时自发辐射态的态密度ρ(ω)因为零，因而不能产生自发辐射的现象。相反的，若是光子晶体中引入缺陷模式，光子带隙中在某些频率上就会出现高品质因子的局域模式，即具有很高的态密度，由此自发辐射效率也会相应增强。这个现象称为Purcell效应。

2.光子晶体的制备

由于光子晶体的结构是相对于波长的，因此对于不同维度，不同禁带频率的光子晶体，其制备的精度要求也不同，同时根据不同折射率的材料选择，其加工的工艺也各异。以下我们介绍几种最为常见且工艺相对成熟的光子晶体制备方法。一维光子晶体，也就是普通的层状结构，其制备相对容易，应用镀膜工艺以及气相沉积的方法可以较为准确制备，只需控制镀膜以及沉积的时间就可以精确的控制每层材料的厚度，从而制造出具有一维带隙的层状光子晶体。因此制备工艺相对简单。二维光子晶体与三维光子晶体的制备工艺则相对复杂，通常有精度较低的传统机械加工法，紧密度较高的光刻法、电子束刻蚀发、离子束研磨法、干涉全息法及纳米压印技术等。