控制光子流动的晶体:光子晶体

二十世纪五十年代开始的以半导体为代表的电子带隙材料导致了微电子革命 ,其核心就在于采用这种能够操纵电子流动的电子带隙材料。我们所处的时代从某种意义上说是半导体时代 ,半导体的出现带来了从日常生活到高科技革命性的影响 :大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等这些甚至连小学生都耳熟能详的东西都是由半导体带来的。几乎所有的半导体器体都是围绕如何利用和控制电子的运动 ,电子在其中起到决定作用。但集成的极限在可以看到的将来会出现 ,这是由电子的特性所决定的。而光子有着电子所没有的优势 :速度更快 ,没有相互作用。图为…     

Rhodamine 6G在光子晶体中的光致发光及聚集态生长

通过毛细生长法沉积了具有特定光子禁带的胶体光子晶体, 并用浸渍法在光子晶体孔隙内浸润了Rhodamine 6G(R6G)乙醇溶液, 制备了掺杂R6G的光子晶体. 结果发现, 光子晶体的禁带对R6G的发光谱有影响, 能够强烈限制光子的发射从而抑制特定波长的发光强度. 改变掺杂R6G的浓度, 会引起间隙介质平均折射率的变化, 从而引起光子带隙的移动. 采用Nd:YAG激光器三倍频354.5 nm激光对掺杂了R6G的光子晶体进行了激发, 光谱显示没有受激发射, 这一点与相关文献是一致的. 我们对光子晶体中R6G的聚集态进行了SEM分析, 发现R6G呈束状聚集. 与胶体光子晶体的[111]方向相比, 该束状聚集体更倾向于沿着[100]方向生长. 本实验对于开展固态激光器的研究以及三维阵列的应用研究具有一定指导意义.     

超材料结构的弹性波带隙主动调控研究进展

周期超材料结构由多个相同的子结构根据一定的规律性和周期性组成,具有特殊的力学特性,比如带隙.弹性波只能在特定的频带(通带)内沿超材料结构传播,而在其他频带(带隙或禁带)内的弹性波将被阻隔.利用带隙特性可以实现弹性波过滤、振动和噪声控制等,由此学者进行了大量的研究工作,希望获得各种具有更好带隙特性的超材料结构.然而在实际工程应用中,超材料结构的尺寸往往已被固定,频率带隙的宽度以及位置往往成为限制其实用性的问题.因此,分析超材料结构中弹性波带隙的主动调控具有重要的理论与实际意义,可以为周期结构的振动控制和减振设计提供理论依据.本文针对周期超材料结构,综述了其中弹性波带隙主动调控问题的研究现状,简述了近年来发展的弹性波带隙主动调控研究方法,介绍了热点的研究结果,并提出了值得进一步深入研究的问题.     

电沉积时间对SiO2-ZnO复合光子晶体形貌及光学特性的影响

采用垂直沉积法成功制备了SiO₂光子晶体薄膜. 以SiO₂光子晶体薄膜做模板, 采用电沉积和烧结处理在ITO基底上制备了SiO₂-ZnO复合光子晶体. 利用扫描电子显微镜观察了SiO₂光子晶体模板及不同沉积时间所制备的SiO2-ZnO复合光子晶体薄膜形貌. 研究发现, 当沉积时间较短时, ZnO颗粒随机生长在SiO₂微球表面. 随着沉积时间的延长, ZnO颗粒均匀地生长在SiO₂微球表面, 以至于ZnO颗粒完全掺入模板的间隙. 对所制备的光子晶体薄膜进行反射谱测量, 发现在膜法线方向上, 光子晶体薄膜有光子带隙的出现.     

手征介质构成的体心立方光子晶体的光子带结构研究

利用平面波法计算了由手征介质构成的体心立方光子晶体的光子带结构 ,结果表明 :无论是手征介质球在电介质中的排列还是电介质球在手征介质中的排列 ,均能出现在该频率下无传播模存在的截止频率 .     

手征介质构成的体心立方光子晶体的光子带结构研究

利用平面波法计算了由手征介质构成的体心立方光子晶体的光子带结构 ,结果表明 :无论是手征介质球在电介质中的排列还是电介质球在手征介质中的排列 ,均能出现在该频率下无传播模存在的截止频率 .     

结晶化胶体阵列的制备及其可调光子带隙性质

利用离子交换方法制备了由单分散聚苯乙烯微球(直径为70和140 nm)构成的结晶化胶体阵列结构, 研究了其光子带隙随微球体积分数和分散剂类型的变化规律, 以及在结晶化胶体阵列中荧光素染料的发光性质. 这种结晶化胶体阵列结构可以用作可调带隙的液态光子晶体, 在传感器、光子带隙材料、凝聚态物理等领域有广泛的应用前景.     

光子学视角分析自然界中的生物结构色彩美

自然界中很多生物体呈现出五彩缤纷的生物结构色彩, 这是由于生物体的物理亚显微结构使光发生干涉、衍射或散射的光学效果, 是天然的光子晶体结构. 本文在生物结构实体测量与文献综合调研基础上, 归纳分析了蝴蝶翅色、鸟类羽色、欧泊宝石、贝类壳层、甲虫体壁等一些生物色彩形成的内因机制, 并分析了某些生物结构有利于自体生存的生理功能. 通过对自然界中某些生物结构色、形成机理及其应用研究, 可促进有利于人们生产生活的仿生科学技术的发展, 对制备新型光子晶体结构以及新型功能光子元件提供新思路.     

十字排列椭圆孔声子晶体板的双通道滤波

采用有限元方法对二维十字排列椭圆孔周期结构的带隙及传输特性进行了研究,发现此类结构具有较宽的带隙范围.基于该研究,构造了由3种不同尺寸代表性单元组成的双通道波导结构,并通过有限元建模计算,分析了该结构的双通道滤波性能.根据理论计算模型设计制作了亚克力材料的双通道声子晶体薄板,并进行传输特性测试,实验数据验证了仿真结果的准确性.研究结果表明,通过调节3种代表性单元的尺寸,改变声子晶体的带隙分布,可以实现不同频率弹性波在双通道结构中的定向传输.     

含非完好界面的非线性弹性波超材料中SH波的非互易传输

研究了含非完好界面的非线性弹性波超材料中的非互易传输现象.通过结构的非对称性和材料的非线性打破了经典弹性波系统中的互易性原理.入射的反平面剪切(shear horizontal, SH)波与材料的非线性效应相互作用产生二次谐波.根据Bloch定理,利用刚度矩阵法得到了基频波和二次谐波的带隙和透射系数.通过与完好界面情况下的结果对比,讨论了界面特性对层状周期结构中SH波的带隙和非互易传输的影响.本研究有助于设计具有非互易传输性能的弹性波超材料器件.     

玻璃球上的魔法:二维原子晶体的可控带隙生长

正对于半导体材料,带隙是一个非常重要的性质标签~([1])其表示半导体中电子被激发到能参与导电的状态所需要的最小能量,决定了材料的众多基本物理特性,如光子的吸收激发和电子传输等,带隙的精确调控有利于获取具有特定性质的订制材料.目前报道的二维原子晶体带隙调控方法主要分为化学调控及物理调控两大类,其中化学调控     

庄周之梦蝶的光子带隙结构

庄周之梦蝶翅膀具有亮蓝色的反光。我们设计了蝴蝶翅膀的发射光谱随其中填充液体挥发的变化实验，证实了这种颜色的产生是因为多层微结构的干涉，而不是因为蝴蝶本身色素颜色的漫反射。这种对可见光的选择性反射是由于蝴蝶翅膀中的二维光子带隙结构作用。     

同轴光子晶体中异常群速度现象

研究了同轴准一维光子晶体中光子带隙和光子晶体缺陷态的电磁波群速度. 实验结果表明, 在准一维光子晶体中, 存在群速度超光速现象; 在光子晶体缺陷态, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 呈现“慢波”. 传输线等效模型和传输矩阵模拟分析也表明, 同轴准一维光子晶体在禁带频域, 存在群速度超光速现象; 在同轴光子晶体中引入缺陷后, 缺陷的色散可导致极慢的群速度, 模拟计算结果与实验结果很好吻合.也表明     

胶体晶体制备与应用研究进展

不同于由分子、原子或离子所形成的晶体,胶体晶体是由单分散的微米或亚微米胶体颗粒组装形成的二维或三维有序阵列结构.与通常晶体相比,胶体晶体中占据每一个晶格点的是单分散的胶体粒子.由于具有特殊的周期性晶格结构和光学、模板等性能使其在制备三维有序大孔材料、光子晶体和传感器等领域有着重要的应用价值,受到科学界和工业界的广泛重视.本文综述了近几年来在胶体晶体制备和应用领域研究的最新进展,包括单分散胶体颗粒的制备及功能化、不同类型胶体晶体的自组装制备和图案化、以及胶体晶体在构筑晶体结构模型、二维有序微结构、三维有序大孔材料、光子晶体、传感器和仿生材料等领域的应用,并对其未来研究发展的方向进行了展望.     

单负材料光子晶体共振隧穿特性

利用传输矩阵方法研究了由负介电常数材料和负磁导率材料交替生长形成的一维光子晶体的共振隧穿特性. 结果表明: 这种结构的光子晶体具有2个共振隧穿模, 并且2个共振隧穿模间距能够通过改变2种单负材料厚度比和缺陷层厚度进行调节. 共振隧穿模场强随着两种单负材料的厚度比的增大而迅速增大, 而且2种单负材料的厚度比每增加0.4倍场强增大一个数量级, 场强的这种10的指数幂增加性质在非线性光学中可望得到广泛应用. 同时隧穿模场的局域性也随着两种单负材料的厚度比的增大变得更加强烈, 电场逐渐向与缺陷层两侧毗连的两个界面集中, 2个共振隧穿模的半高宽(FWHM)变窄. 此外, 这种可调的2个共振隧穿模几乎不随入射角和厚度涨落变化. 根据这些特性, 我们能够更加实际地利用单负材料制作可调的全向双通道高品质因数滤波器.     

鸡胚神经细胞发育过程光子发射的研究

光子发射(Photon emission)又称为生物的超微弱发光,近年来已成为一项重要的研究领域.和生物体的荧光素-荧光素酶系统不同,超微弱光子发射,几乎存在于所有的生物系统中.这种光强度非常弱为每平方厘米每秒几个至几百个光子不等,波长范围为200～800nm.生物系统中的光子发射与生物体的生理状态、生物化学、生物物理过程相联系.活细胞的光子发射在测量过程中没有外加物质的影响,可以真实地反映其生活状态.光子发射的研究对阐明生物体的生长发育、细胞通讯、遗传变异、肿瘤发生、病变衰老及细胞死亡等基本过程有     

三维声学超材料的高阶拓扑态

位于"边缘的边缘"上的高阶拓扑态的发现为限制和控制光波、声波以及弹性波的传输提供了一种新思路.目前,高阶拓扑态已在二维的机械、电磁、光学、声学和弹性系统中得以实现.然而,三维声学系统中对高阶拓扑态的研究却鲜有报道.本研究针对这一现象提出了一种具有一阶表面态和二阶铰链态的三维声学超材料.该三维声学超材料可以在其布里渊区的K-H方向上形成二重简并的交线.改变超材料单胞内外耦合强度的相对大小,线性简并交线打开形成完全带隙,生成平庸型和拓扑非平庸型声学超材料.能带结构、特征频率及传输效率的分析结果表明,当内耦合强度小于外耦合强度时,带隙范围内声学超材料具有拓扑非平庸的一阶表面态和二阶铰链态;当内耦合强度大于外耦合强度时,带隙范围内声波将无法在声学超材料的任何部位传播,该声学超材料是平庸的.三维声学超材料高阶拓扑态的实现突破了二维系统的局限,在声波能量回收和高精度声传感器方面具有潜在应用前景.     

基于光子晶体的楔形槽波导的慢光效应分析

提出了一种基于光子晶体楔形槽波导来实现光速减慢的方案, 该方案通过改变光子晶体槽波导中空气槽的宽度来改变导波模的色散特性. 当空气槽的宽度减小时, 导波模色散曲线向低频方向移动. 当某个频率的光沿着光子晶体楔形槽波导传播时, 群速度逐渐减慢, 在满足截止频率条件时群速度降为0. 另外, 空气槽内可以填充其他低折射率的电光或高非线性材料, 被束缚在槽内的慢光与槽内填充物质的相互作用加强, 可以用来实现小体积高灵敏度的各种全(电)光器件, 而且这种光子晶体楔形槽波导通过结构参数优化能够实现慢光的色散补偿, 为实现无高阶色散的超宽带慢光提供了可能.     

梯度折射率超材料透镜

超材料是由人工设计的、具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构,有负等效质量密度、负等效弹性模量、负折射率等特性.声子晶体超材料是一种具有周期性结构的超材料,其布拉格带隙或局域共振带隙的存在使处于禁带频率下的声波或弹性波进入声子晶体后无法在其中传播.其能带特性可以通过设计进行调节,使通带频率下的声波或弹性波进入具有特定结构的声子晶体后,实现成像、聚焦以及定向传输等对波传播的极端控制功能.梯度折射率超材料是一种折射率随空间变化而变化的结构.梯度折射率透镜由局部非均匀结构组成,其折射率是空间坐标的函数.波在透镜中会沿着弯曲的轨迹传播,可以通过适当的设计实现对波的弯曲、偏转和聚焦等功能.梯度折射率的设计可以通过改变局部晶体单元的性质实现有效折射率的梯度分布,如改变声子晶体的晶格尺寸、散射体的填充率、散射体的材料等.此外,梯度折射率超材料透镜能够通过设计在宽频率范围内精准聚焦波,从而实现能量采集等工程应用.本文从光学理论原理、透镜设计及其应用三方面展开介绍,首先对理论基础以及目前构建梯度折射率器件的几种方法进行总结,然后从透镜的应用角度介绍几种典型案例,最后对透镜的未来研究作出展望.     

处理温度对聚合物蛋白石基光子

研究了聚苯乙烯微球自组装形成的蛋白石结构光子晶体在不同温度处理后的微观形貌与反射光谱。实验结果发现随着处理温度的升高，蛋白石结构中的聚苯乙烯微球向正十二面体转变，反射光谱峰值向着短波长方向移动，实测结果证明了填充率和有效折射率对禁带位置的影响，并与理论模拟结果相符。