物理學(xué)

光子晶體制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展

倪培根

摘要：目的：從光子晶體的概念提出到現(xiàn)在已經(jīng)20余年，光子晶體不僅成為微納光子學(xué)和量子光學(xué)的重要研究領(lǐng)域，而且在信息光學(xué)和其它多個(gè)學(xué)科中得到廣泛的應(yīng)用。本文回顧了光子晶體的發(fā)展，并重點(diǎn)研究了光子晶體的制備工藝的發(fā)展和相關(guān)應(yīng)用進(jìn)展，以及存在的問(wèn)題，同時(shí)提出了一些展望。進(jìn)展：關(guān)于光子晶體的制備，主要回顧了二維光子晶體和三維光子晶體的制備技術(shù)。從光子晶體的概念看，光子晶體周期的線度近似等于相應(yīng)的工作波長(zhǎng)除以介質(zhì)的折射率，所以工作在可見(jiàn)光或近紅外區(qū)的光子晶體的制備依然是一個(gè)比較困難的課題。根據(jù)近年來(lái)的發(fā)展情況，我們回顧了利用電子束直寫(xiě)技術(shù)和相關(guān)圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)（包括反應(yīng)離子束刻蝕等）制備二維平板光子晶體的方法，同時(shí)也介紹了三光束相干曝光技術(shù)、紫外曝光技術(shù)、通過(guò)電化學(xué)腐蝕鋁膜而得到大縱橫比的周期微孔陣列、通過(guò)氟化氫溶液腐蝕n型硅〈110〉表面而得到的大縱橫比的微孔等技術(shù)。對(duì)于三維光子晶體的制備，我們回顧了膠體自組裝法制備（111）晶向的面心立方光子晶體、模板輔助的膠體自組裝法制備（100）晶向的面心立方光子晶體的技術(shù)；同時(shí)介紹了電子束直寫(xiě)和其他圖形轉(zhuǎn)移方法聯(lián)合制備三維光子晶體的技術(shù)，也簡(jiǎn)要介紹了多光束相干、雙光子直寫(xiě)、掠角度沉積技術(shù)、納米筆直寫(xiě)以及自克隆沉積等制備三維光子晶體的技術(shù)。與此同時(shí)，我們也回顧了各種制備技術(shù)的誤差對(duì)光子晶體性能的影響。然后，我們回顧了光子晶體的應(yīng)用，根據(jù)光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)中帶隙邊緣的色散關(guān)系以及引入缺陷后所引入的缺陷模特性，光子晶體具有廣泛的應(yīng)用。在這里，我們僅僅就光子晶體在集成光子學(xué)上的應(yīng)用，包括90°折彎無(wú)損耗波導(dǎo)、延遲線、波分復(fù)用器件、超級(jí)棱鏡、應(yīng)用負(fù)折射效應(yīng)的平板透鏡、自準(zhǔn)直、分束器和光開(kāi)關(guān)等；同時(shí)我們也簡(jiǎn)要介紹了光子晶體在量子信息處理和其它發(fā)光器件量子效率的提高上的應(yīng)用，以及在太陽(yáng)能電池的效率、傳感器和探測(cè)器靈敏度的提高上的應(yīng)用等。展望：經(jīng)過(guò)這20多年的發(fā)展，光子晶體的相關(guān)理論基礎(chǔ)和應(yīng)用方案得到了充分的發(fā)展。在要求光子晶體的制備精度較低的領(lǐng)域，比如光子晶體在太陽(yáng)能電池效率和探測(cè)器靈敏度的提高上可能會(huì)很快得到實(shí)際應(yīng)用。而在集成光子學(xué)上應(yīng)用，尤其是量子信息處理等領(lǐng)域上的應(yīng)用，則由于要求制備的光子晶體達(dá)到亞納米量級(jí)的精度，這仍需要納米制備技術(shù)上的突破，才能得到實(shí)際的應(yīng)用。光子晶體從誕生之日起，各種新現(xiàn)象、新性質(zhì)被不斷發(fā)現(xiàn)，從而衍生出一些新的研究方向，隨著對(duì)光子晶的深入研究，會(huì)進(jìn)一步發(fā)掘出光子晶體可能具有的一些新性質(zhì)和應(yīng)用。

來(lái)源出版物：物理學(xué)報(bào), 2010, 59(1): 340-350

入選年份：2015

實(shí)驗(yàn)研究大氣壓多脈沖輝光放電的模式和機(jī)理

郝艷捧，陽(yáng)林，涂恩來(lái)，等

摘要：目的：不同實(shí)驗(yàn)條件下，大氣壓下介質(zhì)阻擋放電表現(xiàn)為不同的放電模式，如絲狀放電、輝光放電、Townsend放電和多脈沖放電等。目前對(duì)于大氣壓多脈沖輝光放電的放電模式和形成機(jī)理仍沒(méi)有定論。本文采用稍不平行電極，通過(guò)ICCD相機(jī)拍攝多脈沖輝光放電脈沖各時(shí)刻的短時(shí)曝光照片，研究各個(gè)放電電流脈沖以及脈沖之間的放電模式。方法：通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算相結(jié)合對(duì)大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋多脈沖放電進(jìn)行研究。首先，對(duì)稍不平行電極4 mm間隙氦氣多脈沖放電進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用高速I(mǎi)CCD相機(jī)拍攝多脈沖輝光放電脈沖各時(shí)刻的短時(shí)曝光照片，根據(jù)各個(gè)電流脈沖不同時(shí)刻的放電圖像分析放電模式的演化情況。其次，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流波形對(duì)介質(zhì)表面電荷進(jìn)行仿真計(jì)算，得到多脈沖介質(zhì)阻擋放電過(guò)程介質(zhì)表面電荷的變化情況；根據(jù)阻擋介質(zhì)表面電荷、氣隙空間電荷、外加電壓與氣隙電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系分析氣隙不同位置處的擊穿規(guī)律，并解釋多脈沖形成的原因。結(jié)果：當(dāng)外加電壓的頻率為11.85 kHz，峰值為3.18 kV時(shí)，大氣壓氦氣介質(zhì)阻擋放電電流為三脈沖。根據(jù)ICCD拍攝獲得的放電圖像分析發(fā)現(xiàn)：（1）第一個(gè)電流脈沖放電首先在間隙稍窄的電極左端開(kāi)始；在第一個(gè)脈沖電流峰值，間隙右端也開(kāi)始放電；第一個(gè)放電脈沖物理過(guò)程經(jīng)歷了Townsend放電到輝光放電的過(guò)程。（2）第二個(gè)和第三個(gè)放電電流脈沖過(guò)程中放電空間都呈現(xiàn)出輝光放電的特征，只是發(fā)光強(qiáng)度隨著放電電流的大小變化而出現(xiàn)強(qiáng)弱變化；第二個(gè)放電電流脈沖過(guò)程似乎從右端開(kāi)始，達(dá)到電流峰值時(shí)，電極中間放電最強(qiáng)，左右兩邊放電強(qiáng)度相當(dāng)；第三個(gè)電流脈沖，放電已經(jīng)均勻，左端和右端同時(shí)放電。（3）第一和第二放電電流脈沖之間，氣隙的放電沒(méi)有熄滅，仍然維持著輝光放電，只是強(qiáng)度很弱；第二和第三放電電流脈沖之間，氣隙的放電也沒(méi)有熄滅，仍然維持著輝光放電，只是強(qiáng)度更弱。根據(jù)阻擋介質(zhì)表面電荷、氣隙空間電荷、外加電壓與氣隙電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系綜合分析表明：在第一個(gè)放電電流脈沖接近結(jié)束時(shí)，電極左端氣隙的表面電荷以及空間電荷相對(duì)右端氣隙較小，而右端氣隙放電還沒(méi)有熄滅。因此，外加電壓的增加使得右端放電在熄滅前又重新增強(qiáng)，第二次放電發(fā)生，形成了第二個(gè)放電電流脈沖。第二個(gè)放電電流脈沖過(guò)程中，從電極右端氣隙放電逐漸增強(qiáng)。到放電電流峰值時(shí)，放電集中在電極中間區(qū)域，此時(shí)左右兩端表面電荷和空間電荷的積累已基本相當(dāng)，彌補(bǔ)了電極的稍不平行引起的不均勻，電場(chǎng)變得均勻，因此第三個(gè)脈沖從電極中間開(kāi)始。結(jié)論：大氣壓He氣多脈沖放電的第一個(gè)電流脈沖經(jīng)歷了Townsend放電到輝光放電的過(guò)程，隨后的每一個(gè)脈沖均是輝光放電。放電電流脈沖之間，氣隙放電并沒(méi)有熄滅，仍維持著微弱的輝光放電，不再出現(xiàn)Townsend放電。多脈沖輝光放電的形成是由放電累積的表面電荷以及駐留在氣隙的空間電荷與外加電壓共同演化的結(jié)果。

來(lái)源出版物：物理學(xué)報(bào), 2010, 59(4): 2610-2616

入選年份：2015