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…     

光子晶体的制备与应用研究

光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。     

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.     

光子晶体的制备与应用展望

光子是极具潜力的信息载体,光子晶体是能够操控光的人造物质.文中阐明了光子禁带生成的基本原理,简述了光子晶体的主要制备方法,展望了光子晶体的技术开发前景.     

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 .     

二维光子晶体线缺陷波导慢光抽运增强光参量增益

推导了非线性光子晶体线缺陷波导中抽运光群速度与光参量放大增益的理论模 型. 理论结果表明, 慢光抽运可以增强光参量放大效应. 为获得相同的增益, 当波导长度不变时, 慢光波导所需的抽运光功率可以减少为普通波导的(v_gn/c)²; 当抽运光功率不变时, 慢光波导所需的长度可以减少为普通波导的(v_gn/c)², 其中n为普通波导的材料折射率, v_g为慢光波导的群速度, c为真空中的光速. 数值计算结果验证了我们的理论预测.     

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 .     

处理温度对聚合物蛋白石基光子晶体禁带的影响

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.     

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.     

量子点与光子晶体微腔的耦合

近20年来,量子点与光子晶体微腔的耦合体系受到了国内外的广泛关注,并取得了迅速的发展.它提供了一个有效的光与物质相互作用的量子界面,在光学器件的优化以及量子信息处理等方面都有广泛的应用前景;同时,它具有高集成度,通过与波导集成可实现片上集成的光学芯片.本文主要介绍了自组织生长量子点与光子晶体微腔及其耦合体系的基本原理和...     

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.     

钠离子改性二氧化硅微球的制备及其光子晶体自组装

为提高SiO₂微球的表面电荷密度, 分别利用氯化钠和金属钠引入Na⁺, 通过正硅酸乙酯的水解, 合成SiO₂微球, 并采用垂直沉积法制备出光子晶体. 通过Zeta电位粒度仪、带EDS能谱仪的场发射扫描电子显微镜(SEM)和紫外-可见-近红外光谱仪对其电学性能、显微形貌和光学性能进行测试分析. Zeta电位测试结果显示经引入Na⁺改性后SiO₂微球的Zeta电位有明显提高, 其中经电解质氯化钠和金属钠改性后分别平均提高11.39和13.52 mV; EDS能谱分析表明微球中含有钠元素; SEM 照片表明经氯化钠和金属钠改性后样品平均粒径均有所增加, 分别为380和354 nm, 并且标准偏差均小于5%, 所得光子晶体为面心立方密排结构; 吸收光谱表明经氯化钠和金属钠改性后所得光子晶体分别在856和798 nm处具有光子晶体带隙, 吸收峰具有明显红移现象, 并且更窄更明显.     

多芯光子晶体光纤锁模过程的数值模拟

从线性耦合的非线性薛定谔方程组出发, 数值模拟了利用可饱和吸收镜启动多芯光子晶体光纤激光器锁模的建立过程. 由于初始自发辐射的随机性, 可饱和吸收镜在多个芯中提取的初始脉冲也具有很大的随机性. 针对两种脉冲建立的可能初始情况, 即只在一个纤芯中先提取出脉冲与同时在多个纤芯中提取出脉冲, 对多芯光子晶体光纤作为锁模激光器增益介质的机理进行了详细的模拟. 模拟结果表明, 要想同时锁定多个纤芯的所有纵模频率, 不仅需要纤芯之间具有较强的耦合, 而且在可饱和吸收镜提取出的多个初始脉冲时延较大时, 在Talbot腔结构下, 端镜反射使得各个纤芯出射光束相互交叠也是建立稳定锁模过程必须的.     

磷酸根修饰的二维DNA晶体的研究

利用可编程的刚性DNA分子瓦(DNA tile)中的双交叉(double-crossover, DX)分子的自组装形成二维DNA晶体, 可将分散的具有光、电、磁性质的分子和纳米粒子单元按照Watson-Crick的碱基配对原则精确自组装, 构成分子(纳米)线路和器件. 报道了用磷酸根修饰一条DNA链的5'端脱氧胞嘧啶核苷酸后, 将此DNA链与其他的21条DNA链在一定条件下自组装, 成功合成了具有特定几何构型的二维磷酸化DNA晶体, 并探讨了二维DNA晶体生长的条件和可能的机理.     

基于飞秒掺钛蓝宝石激光器和光子晶体光纤的超高分辨光学相干CT

通过将飞秒激光脉冲耦合到空气石英微结构光纤, 获得了超高纵向分辨率的光学相干CT成像. 利用中心在540 nm、可见光谱范围450~700 nm的超连续光谱, 可以获得高达0.64 µm的自由空间纵向分辨率. 光学相干CT系统灵敏度在样品光功率3 mW时, 可达到108 dB, 仅仅低于理论极限7 dB. 同时展示了亚细胞分辨的光学相干CT的图像, 该高分辨光学相干CT在生物医学应用中有很好的前景.     

亲和素在脂单层膜上的二维晶体研究

生物大分子的二维晶体可以利用电子晶体学的方法进行结构分析.利用脂单层膜对蛋白进行二维结晶是一种比较新颖的方法.这一方法最早是由美国斯坦福大学Kornberg教授领导的实验室开创的.亲和素是一种从鸡蛋清中提取的糖蛋白.它和链霉亲和素在生物活性上有着惊人的相似性.两者都由4个等同亚基组成.每个亚基上有1个与生物素分子结合     

退火时间对二维DNA晶体自组装的影响

DNA自组装的过程,不仅需要合适的缓冲液,还需要适当的退火时间.本文利用DNA自组装技术,以反向平行双交叉(double-crossover,DX)DNA分子瓦(DNAtile)作为建筑模块,带有互补黏性末端(sticky-ends)的分子瓦依据Watson-Crick碱基互补配对原则配对连接,成功制备出二维晶体结构.比较不同退火时间下形成的DNA分子瓦结构,采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(non-denaturing PAGE)表征.结果表明,退火时间为2.5h时形成的分子瓦的结构较稳定.等量混合此条件下形成的不同分子瓦,分别从50,37和25℃退火至室温,利用原子力显微镜(AFM)对退火后的结构进行表征,结果表明,起始退火温度为37℃时得到的DNA二维晶体较平整.     

半导体纳米晶体的冷等离子体合成:原理、进展和展望

冷等离子体已发展成为纳米材料合成领域的重要技术途径.无需化学溶剂和配体,冷等离子体为高品质半导体纳米晶体的生长提供了独特的非热力学平衡环境:等离子体中的高能电子与纳米颗粒碰撞使得纳米颗粒带电,可降低或消除纳米颗粒之间的团聚;高能表面化学反应能够选择性地将纳米颗粒加热到远超环境气体温度的温度;气相中生长物和固相纳米颗粒表面结合物之间化学势的巨大差异,有利于实现纳米晶体的超高浓度掺杂.本文综述了冷等离子体合成半导体纳米晶体的研究现状,详细讨论了冷等离子体中纳米颗粒形核、生长和晶化的基本原理,总结了冷等离子体在单元素、化合物和复杂核壳结构纳米晶体方面的研究进展,特别强调了冷等离子体在纳米颗粒尺寸、形貌、结晶状态、表面化学和组分等性能调变上的技术优势,概述了超掺杂纳米晶体呈现的新颖物性,展望了冷等离子体技术在纳米晶体合成领域的应用前景.     

智能压电声子晶体与超材料研究现状与展望

声子晶体与超材料作为一种人工设计的新型材料或结构,具有许多独特和超常的弹性波传播特性,为机械振动的有效控制与弹性波的精准调控提供了一个崭新的研究途径与充满希望的应用机遇.然而,由于传统的声子晶体与超材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性,大大限制了其实际应用.基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体与超材料,通过调节电场即可按需调控结构的振动或波动特性,可大大拓宽传统声子晶体与超材料的应用范围.本文依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式,试图将智能压电声子晶体与超材料大致分为三类:第一类为单一压电声子晶体与超材料,此类仅由单一的压电材料组成,可以外接电极也可以无外接电极;第二类为内嵌式压电/弹性复合材料型压电声子晶体与超材料,该类由压电散射体埋嵌在弹性基体中而构成,当然也可将压电材料与弹性基体的角色互换;第三类为由外贴式压电片与弹性结构组成的复合型压电声子晶体与超材料,此类将压电片外贴在弹性基体结构(杆、梁、板等)的表面.已有研究表明,相较于其他弹性波调控方式,基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体和超材料的主要优势体现在反应迅速,无须改变原有结构的固...     

甲烷传感器气敏材料的研究现状与进展

甲烷气体检测传感器在保障居民生活安全用气、天然气管道的安全运行以及煤矿安全生产等领域发挥着不可或缺的作用.基于气体分子吸附和解吸从而引起特定物理量相对变化的气敏传感技术,使得快速响应和低成本的甲烷检测传感器得以发展和应用,传感器的性能得到了很大的提高.本文详细介绍了气敏型甲烷传感器的分类及原理,并根据纳米敏感材料与甲烷气体分子之间作用的原理,综述了近年来包括金属氧化物及其复合材料、有机聚合物复合材料、超分子穴番-A、碳纳米管及其掺杂材料在内的关于甲烷气敏材料制备和气敏性能等方面的研究成果,并展望了基于气敏原理的甲烷传感器及其气敏材料未来的研究方向.