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光子晶体(Photonic Crystal)指能对光作出反应的特殊晶格。光子晶体是指能够影响光子运动的规则光学结构,这种影响类似于半导体晶体对于电子行为的影响。光子晶体以各种形式存在于自然界中,科学界对它的研究已经长达一百年。
原理
光子晶体是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出,是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性,引起空间折射率的周期变化,当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时,光波的色散关系出现带状结构,此即光子能带结构(Photonic Band structures)。这些被禁止的频率区间称为“光子频率带隙”(Photonic Band Gap,PBG),频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。我们将具有“光子频率带隙”的周期性介电结构称作为光子晶体。特别需要指出的是,介电常数周期性排列的方向并不等同于带隙出现的方向,在一维光子晶体和二维光子晶体中,也有可能出现全方位的三维带隙结构。
历史
尽管光子晶体的研究自从1887 年就开始了,但直到一百年后的1987 年,光子晶体这个名词才被第一次出现在由 Eli Yablonovitch [1] 和 Sajeev John [2]分别发表在《Physical Review Letters》上的两篇关于光子晶体的标志性文章中。
在1987 年以前, 详尽的研究集中在一维光子晶体,即规则排列的多层半导体材料上(例如布拉格反射镜)。 瑞利爵士(Lord Rayleigh)从1887 [3]开始研究一维晶体,发现这种结构具有一维光子禁带,即对于一定波长范围的波具有极大的反射率。今天,这种结构被用在各种各样的领域,从增加LED效率的反射涂层到到激光腔中的高反镜(例如, VCSEL)。在Bykov [4] 的关于一维光子晶体结构的理论研究中,他第一次研究了在光子晶体中,光子禁带对于镶嵌其中的原子分子的自发发射现象的影响。Bykov 还推测了二维以及三维光子晶体对自发发射的影响 [5]。但是,他的想法并没有受到重视,直到1987 Yablonovitch 和John 发表了他们的标志性文章。这两篇文章都探讨了高维规则光学结构──光子晶体。Yablonovitch 的出发点是通过改变光子态的密度(photonic density of states)从而达到控制光子晶体中物质的自发发射;John 的想法则是利用光子晶体来控制光的行为。
自1987 后,关于光子晶体的学术论文的数量呈现出几何级数上升的趋势。但是,由于制作光学尺寸的光子晶体的难度太大,早期的研究大多集中在理论研究及微波级光子晶体(其尺寸在厘米级)的制造上。(电磁波具有非尺寸依靠特征,所以在麦克斯韦方程的解中没有实际的尺寸,因此厘米尺寸的结构对于微波的影响和纳米尺寸结构对可见光的影响是相同的。1991年,Yablonovitch 制造出了第一个在微波范围的三维光子晶体 [6]。
1996年,Thomas Krauss 制作出了世界上第一个在光学尺寸上的一维光子晶体 [7]。他的成功开辟了一条新道路,即利用已有的半导体工业技术来制造半导体材料的光子晶体。如今,二维光子晶体,即半导体的薄片堆层应用在很多领域;如利用全内反射将光限制在晶体中而产生光子晶体效应及控制光的色散。世界上很多研究围绕在利用光子晶体制作计算机芯片以提高计算机的运行速度。虽然这项技术还远没有达到商业应用,二维光子晶体已经被应用在光纤上。光子晶体光纤最早由Philip Russell在1998 制作,它相对于普通光纤有很多先进之处。
由于制作上的难度,三维晶体的研究远远落后于二维晶体,即使在半导体工业中也没有可以借鉴的方法来制造三维光子晶体。最近,一些科研组发展出一些有效的方法,不少样品被制作出来。[8] 例如,通过层层堆积方法制造出木料堆结构。又如,利用自组装方法-- 让大小均一的纳米尺寸微球通过自组装形成三维规则结构。
应用
光子晶体体积非常小,在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。使用光子晶体制造的光子晶体光纤,也有比传统光纤更好的传输特性,可以进而应用到通信、生物等诸多前沿和交叉领域。
2005年美国的研究人员成功地使用两种新式二维光子晶体,将光的群速度降低了超过一百倍。<small>[注1]</small>这项装置未来可望被应用于各种光学系统及元件中,其中包括高功率、低阈值的光子晶体激光。
光子晶体也可以将拉曼光讯号放大一百万倍。英国的Mesophotonics宣称,该公司于2005年的Photonics West会议中发表这种结合光子晶体与表面增强拉曼光谱术(surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)的产品,由于灵敏度超高,未来可望应用在医疗诊断、药物输送,以至于环境监控上。
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