光子晶体的详细讲述

光子晶体及其应用内容光子晶体简介光子晶体的特性光子晶体的应用光子晶体的制作人类材料史利用自然材料石器时代、铜器时代、铁器时代...材料改性青铜、陶瓷、水泥…更深层次电学特性：金属、半导体…磁学特性光学性质操控电子的流动•IC•Semiconductorlaser•...我们能否控制光子的流动？半导体导带价带杂质态禁带电子能带原子势场的周期排列单原子势场能级Ek能带GLXGeGLXSiEgEg[111][100][111][100]Electronicbandstructures传统的操控光的流动全反射qcnc/1sinqn=1.55,qc=40.2oCriticalangle光子比电子的优点传播速度更快携带更大信息更大的带宽电子系统：几百KHz光纤系统:THz无光子-光子相互作用更小的能量损耗全光通讯二十一世纪：internetera光纤电子器件全光器件能否控制光子的流动？Whatisphotoniccrystal?'Baby,OneMoreTime''OopsIdiditAgain'光子晶体是什么？周期排列的人工微结构材料构成材料:半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸:毫米、微米、亚微米光子能带、光子禁带wkspaceDOSPhotonicbandstructure00光子晶体均匀介质wk光子能带的起源•Bragg散射•Mie共振0kw0p/ddPhotoniccrystalsinnaturePhotoniccrystalsinnatureWeevil象鼻虫PhotoniccrystalsinnatureSeamousePhotoniccrystalsinnaturebluegreenyellowbrown二维光子晶体二维光子晶体三维光子晶体LincolnlogstructurePhotoniccrystalsvssemiconductors)()()(22rErrV)()()(12rHrHrw2~kEkE~)(ScalarrHE,VectorFermion,s=1/2Boson,s=1e-e:strongp-p:absentnm1.0~nm100ElectronicPhotonic半导体~光子晶体半导体光子晶体1930年代电子能带论（电子带隙）1987年光子能带（光子带隙）1948年发明晶体管1991年实验验证1990年代原型器件1958年发明集成电路目前探索集成光路1960年代以后微电子革命21世纪光子技术革命光半导体未来的半导体NobelNobelNobel?迅速成为国际学术界的研究热点93年起，研究论文每年增长70%《科学》1998Bestbets衰老、对付生化武器、光子晶体、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向《科学》1999Runners-up国际上激烈竞争基于光子晶体的光子集成线路计划基于蛋白石结构的光子晶体波长尺度的通讯用光子部件超快光子学计划重组天线计划DARPADARPA可调光子晶体计划毫米和亚毫米波段的集成天线技术日美欧光子晶体的能带结构带隙光子能带结构允许带允许带频率禁带a标度不变性光限制光波导光折变光子线路微腔波导Spontaneousemissionw)(ˆ22wrpiHfdWifFermigoldenrules)(wrwExcitedstateGroundstatephotonSpontaneousemission:modification)(wrNatural)(wrInhibited)(wrEnhancedw)(wrwGroundstateExcitedstateStrikingamatch,istherelight?FreespacePBG光子晶体的未来新型光学、光通讯器件国防科技未来的半导体、光半导体未解决的重大问题1、带隙调控2、物理特性的发现带隙的形成机理宽带隙、多带隙处于初始阶段3、材料的制备尚无独特的方法4、新型器件的开发半导体：大规模应用光子晶体：研发阶段宽带全向全反射器Photoniccrystal核爆射线探测器假目标？光子晶体天线Brownetal.,J.Opt.Soc.Am.B10,404(1993)一维全方位反射镜Y.Fink,etal.,Science282,1679(1998)布儒斯特角的修饰qiqtnint90tiqqqiqtnintitpnn/tanqpwave各向异性zyxnnn布儒斯特角的修饰与消失光子晶体光纤J.C.Knight,etal.,Science282,1476(1998)自聚焦现象：超吸收应用X-射线激光微波吸收？红外吸收？光波导微腔MicrocavityPhotoniccrystalmicrocavityGrating-likemicrocavityCylindricalcavity新型光子晶体激光器世界上最小的激光器DefectregionActiveregion:InGaAsPa=515nmr=180nmO.Painteretal.,Science284,1819(1999).光限制器、光开关n1n2透射率光子带隙M.Scaloraetal.,Phys.Rev.Lett.73,1368(1994).机理微结构设计材料制备原型器件上载/下载频道滤波器光通讯SuperprismConventinalprismPBGprism小尺寸、大波长Crystalofcapacitors.Fourlayersofthestructureformoneperiodofthediamondlattice(fromPhys.Rev.Lett.80,2829).LightSneaksthroughSmallHolesJ.A.Porto,etal.,Phys.Rev.Lett.83,2845(1999)修饰发射特性：红外隐身频率光子晶体热辐射材料发射率黑体辐射实际材料有光子晶体PhotonicMoleculeM.Bayer,etal.,Phys.Rev.Lett.81,2582(1998)Photonsconfinedwithinthephotonicmoleculearerestrictedtoasetofdiscreteenergies,likeelectronsinarealmolecule光子晶体偏振器0.000.050.100.150.200.250.300.35光子能带结构频率TMTE光子晶体量子阱：多通道滤波器0.00.51.00.00.51.00.00.51.00.300.350.400.450.500.550.00.51.0n=1n=4TransmissionFrequency(wa/2pc)n=2n=3PBG(AB)m(AB)m(CD)n能带结构透明金属微波与红外可见光Agglass500100015002000250030000.900.920.940.960.981.00ReflectivityWavenumber(cm-1)红外反射光谱平均反射率95%4004505005506006507007508000.00.10.20.30.40.5TransmissionWavelength(nm)可见光透射光谱黄色带红色带LefthandedmaterialsEB=mHkm0RighthandedmaterialsEB=mHkm0S=EHHS=EHLefthandedmaterials0,0mmcv传播条件自然界没有！•反常的多谱勒效应•反常的轫致辐射•反常的反射•反常辐射光压新现象InverseDopplereffect反常折射现象一维光子晶体二维光子晶体二维光子晶体三维微波光子晶体LincolnLog-likestructureSmallestthree-dimensionalphotoniccrystalyetfabricatedexcludeslightinthewavelengthrangearound1.5mm.ShawnLinetal.,OpticsLetters,1January,1999Infraredphotoniccrystalsfabricatedusingdeepx-raylithographyG.Feiertag,etal.,App.Phys.Lett.71,15September1997金属光子晶体OpalSiO2particlesfccstructureInverseopalJ.E.G.J.WijnhovenandW.L.Vos,Science281,802(1998)Orderedmicroporousmaterialsfromrod-coilblockcopolymerS.A.JenekheandX.L.Chen,Science283,372(1999)SonicbandgapmaterialJ.V.Sanchez-Perezetal.,Phys.Rev.Lett.80,5325(1998).波晶体波波能带波禁带周期性电磁波、声波、水波、地震波…...测验题1、简述光子晶体的概念、特性和应用并与半导体进行相关的对比。2、简述热电制冷器工作原理（以一对热电偶为例作图分析）3、简述光伏电池的基本工作原理和太阳能电池的两个主要物理过程。