一維光子晶體的應(yīng)用發(fā)展

江帥璋

（寧夏省銀川市寧夏大學(xué) 寧夏銀川 750021）

一維光子晶體的應(yīng)用發(fā)展

江帥璋

（寧夏省銀川市寧夏大學(xué) 寧夏銀川 750021）

一維光子晶體是介質(zhì)特定的在一個(gè)方向上具有周期性的結(jié)構(gòu)，在另外的兩個(gè)方向上卻是均勻性分布的。結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的一維光子晶體一般是兩種介質(zhì)交替疊層而形成的，這種一維光子晶體在垂直于介質(zhì)層平面方向的介電常數(shù)是隨空間位置的改變而改變的，而在平行于介質(zhì)層平面方向的介電常數(shù)并不隨空間位置的改變而改變。這種光子晶體在光纖和半導(dǎo)體激光器上已經(jīng)得到了運(yùn)用，布拉格光纖和半導(dǎo)體激光器的分布反饋式諧振腔事實(shí)上就是一維光子晶體。因?yàn)橐痪S光子晶體制作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以一維光子晶體被大家廣泛的關(guān)注。在最早期的時(shí)候，因?yàn)橐痪S光子晶體特定的在一個(gè)方向上表現(xiàn)有周期性的結(jié)構(gòu)，所以光子禁帶也只在這個(gè)方向上出現(xiàn)，之后Joannopoulos和他的同事們根據(jù)理論和仿真得到一維光子晶體應(yīng)該有全方向的三維帶隙結(jié)構(gòu)，因此一維光子晶體也能夠具備二，三維光子晶體所具有的特性，所以一維光子晶體被人們更加普遍的應(yīng)用到了研究中。

一維光子晶體 周期性 介電常數(shù)

一、一維光子晶體的研究進(jìn)展與應(yīng)用

一維光子晶體具有制作簡(jiǎn)易和控制光的傳播形式優(yōu)異性等優(yōu)勢(shì)，讓一維光子晶體在不一樣的研究中得到了廣泛的關(guān)注。這些年一維光子晶體在研究領(lǐng)域取得了一些明顯的進(jìn)展。因?yàn)橐痪S光子晶體擁有三維材料的全向能隙結(jié)構(gòu)，所以可以將一維光子晶體應(yīng)用到二維和三維器件的設(shè)計(jì)當(dāng)中；一維光子晶體有高增益的局域廣場(chǎng)以及光延遲效應(yīng)，能夠?qū)е乱恍┓蔷€(xiàn)性效應(yīng)，比如說(shuō)諧波的產(chǎn)生、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)等；并且一維光子晶體也具有超折射現(xiàn)象，而且因?yàn)樗锌刂乒饽Ｊ揭约肮鈧鬏數(shù)膬?yōu)異性能，所以一維光子晶體在光子晶體的應(yīng)用中占據(jù)著主要地位。下面我們從三個(gè)方面介紹一維光子晶體的特點(diǎn)和應(yīng)用，分為物理機(jī)制和效應(yīng)兩個(gè)角度。[1]

1.全向能隙結(jié)構(gòu)

1998年，因?yàn)橐痪S光子晶體的邊界是有限制的，所以出現(xiàn)了跟二維光子晶體和三維光子晶體相像的全向能隙結(jié)構(gòu)。雖然金屬材料的反射鏡的反射率跟入射角度沒(méi)有關(guān)系，但是金屬材料是吸收電磁波的，所以金屬材料的反射率并不高。以前的多層高反膜會(huì)因?yàn)槿肷浣嵌鹊脑黾悠浞瓷渎式档汀Ｒ痪S光子晶體可以產(chǎn)生一個(gè)不跟入射光偏正方向以及入射角有關(guān)聯(lián)的較寬的全向帶隙，解決了金屬材料反射率不高的難題。除了反射鏡外，一維光子晶體能夠普遍的運(yùn)用到微波天線(xiàn)、透射光柵、光波導(dǎo)等器件的研制中。[2～6]

2.布儒斯特角的控制

因?yàn)橛袠O化方向和光波的入射角度這兩個(gè)因素的控制，以前的多層高反膜頻段并不寬，大概都是四分之一的結(jié)構(gòu)。其中最為明顯的是入射光波角度的增大會(huì)使p波的反射率降低，p波的反射率跟入射角有很大的聯(lián)系，這跟布儒斯特角有一定的聯(lián)系。在一維光子晶體中，要想獲得更加寬的全向帶隙，就必須做到內(nèi)反射角小于等于布儒斯特角這樣才能夠出現(xiàn)大的全向帶隙。一些科學(xué)家運(yùn)用高分子聚合物有很強(qiáng)的雙折射物理特性，制作了一維光子晶體反射鏡，從而可以控制布儒斯特角 。多層膜反射鏡能夠依靠不一樣的要求，在不同的方向設(shè)計(jì)出有不同折射率差的具有各向異性材料多層膜，然后經(jīng)過(guò)一些計(jì)算我們可以得到這種材料多層膜的布儒斯特角可以是任意的角度，也可以是虛數(shù)。雙折射光學(xué)性質(zhì)的多層高分子聚合物膜可以普遍運(yùn)用到多種光學(xué)器件中。比如說(shuō)，制作出來(lái)能夠運(yùn)用到光纖通訊的高效率反射鏡以及高反膜等；也能夠運(yùn)用到反射偏振鏡的研究中；運(yùn)用到液晶顯示屏中能夠讓觀看者看到更加清晰更加亮的畫(huà)面。雙折射光學(xué)性質(zhì)薄膜具有柔韌性，制作簡(jiǎn)易，不需要基礎(chǔ)材料等優(yōu)點(diǎn)，能夠制造出 100-1000 層，適合運(yùn)用到大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中。[7]

3.非線(xiàn)性效應(yīng)

如果讓場(chǎng)的能量都在非線(xiàn)性材料這個(gè)部分從而來(lái)升高光子晶體的非線(xiàn)性效應(yīng)，我們可以對(duì)一維光子晶體態(tài)密度進(jìn)行操作，或者改變一維光子晶體中場(chǎng)的能量分布。我們可以設(shè)計(jì)合適的晶體構(gòu)型來(lái)做到非線(xiàn)性過(guò)程中的相位匹配，然后來(lái)提高非線(xiàn)性效應(yīng)。使光子晶體中的光子態(tài)密度主要在雜質(zhì)層中，將非線(xiàn)性材料導(dǎo)入雜質(zhì)層中的結(jié)構(gòu)叫摻雜結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)能夠在很大程度上提高非線(xiàn)性過(guò)程的效率，并且能夠用來(lái)增強(qiáng)非線(xiàn)性效應(yīng)。使用樣品器件核心部分是Zn、Se 摻雜層，這兩層兩邊是Si3N4/SiO2四分之一波堆結(jié)構(gòu)，構(gòu)成的一維光子晶體從而構(gòu)成諧振腔。因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)能夠讓諧振波的頻率在諧振腔的共振態(tài)模式，所以使二次諧波能量加強(qiáng)。[8]

二、總結(jié)

對(duì)于現(xiàn)階段的加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，一維光子晶體是僅僅可以達(dá)到可見(jiàn)光量級(jí)的周期結(jié)構(gòu)，其良好的可行性預(yù)示了這種新型的材料有著廣闊的應(yīng)用前景。[9]

[1]卜濤，一維光子晶體光學(xué)特性的理論研究：[碩士學(xué)位論文].西安：西北大學(xué)，2003.

[2]孫明艷，一維光子晶體的光學(xué)特性研究.北京：北京工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士研究，2010.

[3]陳雙琛，光子晶體光纖超連續(xù)譜與激光器和Nd：GdV0_4激光器的研究：[博士學(xué)位論文].天津：天津大學(xué)，2005.

[4]張克勒，光子晶體的結(jié)構(gòu)色.現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室.蘇州：蘇州大學(xué)，2010.

[5]張冉，一維多孔硅光子晶體的光學(xué)特性及傳感研究：[碩士學(xué)位論文].河北：燕山大學(xué)，2015.

[6]高永芳，一維光子晶體的帶隙特性研究.《材料導(dǎo)報(bào)》，2011.

[7]J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, J. N. Winn. Photonic Crystals：Molding the Flow of Light. New Jersey： Princeton University Press.1995, 9-22.

[8]J. D. Joannopoulos, P. R. Villeneuve, S. Fan. Photonic. Crystals：Putting a New Twist on Light. Nature, 1997, 386： 143-149.

[9]何洋，一維光子晶體光學(xué)特性的復(fù)平面波展開(kāi)法研究.《原子與分子物理學(xué)報(bào)》，2013.

[10]張擁華，一維光子晶體研究進(jìn)展.上海：同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所，2000.