第5讲_光子晶体的光学特性与制备解释.pdf

第5讲: 光子晶体 的光学特性与制备 纳米光学 (Nano-Optics) 研 究 生 课 程 董 国 艳 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院 2本讲内容 ? 1. 机械制备法 ? 打孔法 ? 逐层堆积法 ? 2. 化学刻蚀法 ? 湿法刻蚀 、干法刻蚀、电化学刻蚀、浮雕法 ? 3. 胶体自组装法 ? 4. 光刻法 ? 5. 激光全息干涉刻蚀法 1、光子晶体的光学特性 ? 一维光子晶体：全向带隙特性、非线性二次谐波、光学双稳态、光 子局域化、典型的一维氧化物光子晶体、一维金属-介电光子晶体 ? 二维光子晶体：TM和TE偏振、微腔透射谱和发光谱、慢光效应 ? 三维光子晶体 2、光子晶体的制备 3一维光子晶体的光学特性 一维光子晶体的光学特性主要取决于光与材料的相互作用， 多数情况下取决于光子态密度。 可见，一维光子晶体对光子态密度有很强的修饰效应，可根据 要求控制光子输运过程，制备光开关、滤波器、放大器等新型的光 学器件。 (a) 没有引入缺陷的态密度 (b) 引入缺陷的态密度 40 2 1 B 1 1 tanmax arcsin arc n n n n ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 1、一维光子晶体全向带隙特性 一维光子晶体可能具有完全的光子禁带,具有全向光子带隙的必要条件 是从n0介质掠入射到介质n1中的最大折射角； ?B是介质n1，n2 ,界面的布儒斯特角。 1max? 色散关系图结构图 TE TM 5假设n1n2 , n1h1=n2h2=?/4,则有 21 21 /1 /1 arcsin 4 nn nn ? ? ? ? ?? ? 2 2 1 2 2 1 2 1 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? N N n n n n R 相对带隙 带隙峰值 反射率 N为层数，?带隙的中心波长，? ?带隙宽度，h相应层厚度 四分之一波片结构比较 光子晶体的概念来源于固体的周期结构思想及电磁场理论， 而传统的光学膜系来源于衍射基础上发展起来的薄膜光学，二 者存在明显不同：多层膜系是在?/4波片的基础上发展起来的； 而一维光子晶体只要求存在周期结构，无?/4的要求。 6实 例 介质反射镜400 – 900 nm 双色滤光片 一维全向带隙光子晶体可广泛应用于高反射镜、透射光栅、高通滤 波、光波导、微波天线等器件的研制,在其中引入缺陷还可用于制作高品 质、低损耗的谐振腔,可用于微波源或激光器的谐振腔。 当θimax θB时,才可能出现整个入射角都不能透过的带隙,其中θB对 应TM波的能带闭合点. 并且当no/n1, n2 /n1增大时θimax将减小，θB增大,进 而使全向带隙变宽。Appl. Phys. Lett. 68:25 (1998) 72、一维光子晶体的非线性效应 一维光子晶体对光子态密度有进行修饰，通过控制态密度，改变晶体中 能量分布，使能量主要聚集在非线性材料部分，从而提高非线性效应，通过 恰当地设计晶体结构，实现非线性过程中的相位匹配。 产生双共振二次谐振波 一维光子晶体带隙两边的光子的态密度很高，将基波和二次谐波分别位于 带隙的带边位置，从而提高二次谐波产生的效率，这就是双共振二次谐波 A B C D d n1 n2 n1 n2 d 由上式决定，?的取值在0 和1之间， ?的值可通过 传输矩阵方法数值计算 ，可以获得双共振二次谐波 同样,如果两激光脉冲频率?1和?2位于同一带隙相对两边的共振透 射峰,会使得混频?= ?1+?2的产生效率大为提高。 8单共振条件：当谐波频率位于谐振腔的共振态模式 ,与体材料相比,二次 谐波的能量可以增强1/(1-R)倍, R为反射率。 双共振条件：如果基波与谐振腔模式也发生共振，与体材料相比,腔中能 量的增强为1/(1-R)3倍。 因此，通过增加反射镜的反射率R可以改进谐波产生的效率。 掺杂结构能使得晶体中的光子态密度集中于杂质层中,如果把非线性 材料置于杂质层中,能大幅度提高非线性过程的效率. ZnSeSiO2 SiO2Si3N4 Si3N4 … …一维光子晶体 一维光子晶体 四分之一波片结构 掺杂层 9光学双稳态：对于一个给定的入射光强，存在两个可能的、稳定的输出光 强状态，而且可以用光学的方法实现两个稳态间的翻转， 光学双稳态 ? 当输入光强I0由0逐渐变强时，输出的光 强I逐渐增大，在I0 =I″0时，I有突升，并 且晶体由不透明变得透明；当输入光强I0 再逐渐减少时，I的下降有滞后现象，而 且，在I0 = I′0时，I有突降，并且晶体又 变得不透明。 ? 若输入光强为I0 ，对应的a时介质不透明 状态，让输入光强增大后，再回到I