光子晶体发展.ppt

关于光子晶体发展第1页，课件共36页，创作于2023年2月一、光子晶体简介二、光子晶体中的量子理论三、光子晶体的发展历程四、光子晶体的应用五、光子晶体的发展前景第2页，课件共36页，创作于2023年2月信息技术革命标志：半导体技术趋势：微型化和高度集成化限制：纳米尺度的量子效应摩尔定律：自从1970年以来，可以被放置到微电子芯片的电子元件数量以18月翻一番的速度增长，这保证了计算机运算速度在同时期随之翻番，价格减半。第3页，课件共36页，创作于2023年2月光子时代的到来？光子电子传播速度108m/s104-105m/s数据传播速率光子远远大于电子载体带宽1012Hz105Hz载流子相互作用弱强第4页，课件共36页，创作于2023年2月一、光子晶体简介光子晶体（photoniccrystal）是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料。从晶体结构来说，晶体内部的原子是周期性有序排列的，正是这种周期势场的存在，使得运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。第5页，课件共36页，创作于2023年2月光子晶体的结构简介一光子晶体的能带结构光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似,因此光子晶体中介电函数的周期性变化能产生光子能带结构.当电磁波在周期性排列的介电材料中传播时,由于在不同介质交界面处介质对电磁波的布拉格散射,电磁波将受到调制而形成能带结构,并导致在带与带之间光子能隙的出现.光子能隙不仅与光子能量有关,而且与光波的传播方向有关.光子能隙可分为两种:一种不完全能隙,能隙只出现在某些特定的方向上;另一种是完全能隙,即在各个方向上都有能隙存在.如果光子落在完全能隙内,则此频率的光在该光子晶体中沿任何方向都不能传播,这就是所谓的光子禁带.由于光子禁带的存在,光子晶体可以抑制自发辐射.我们知道,自发辐射的几率是与光子所在频率的态的数目成正比.当原子被放在一个光子晶体里面,而它自发辐射的光频率正好落在光子禁带中时,由于该频率的光子的态的数目为零,自发辐射也就被抑制.反过来,光子晶体也可增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可实现.如在光子晶体中加入杂质,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可实现自发辐射的增强.第6页，课件共36页，创作于2023年2月二光子晶体中自发辐射简介当原子处于激发态时,如果不受外界影响,它们会自发地回到基态,从而放出光子,我们把这样一过程称为自发辐射过程.自发辐射过程并不是物质的固有性质,而是物质与场相互作用的结果,也就是说它本质上是电磁振荡为零时的受激辐射,即所谓的电磁真空.John等人研究发现在光子晶体中,由于能隙能使某些频率的光的传播被禁止而形成光的局域态,原子自发辐射所发出的光子就会被限制在原子周围,而不是以光速传播,原子与辐射场之间仍存在能量交换,这样,辐射场对原子进行修饰而形成光子—原子束缚态.现从实验上已观察到了光子晶体中自发辐射具有不同于真空中指数衰减的性质,因此,对光子晶体原子自发辐射性质的研究,为研制新型的低噪音,高相性的激发,寻找奇异的光学材料等都具有十分重要的意义.第7页，课件共36页，创作于2023年2月JohnS.Phys.Rev.Lett.1987.58:2486-2489YablonovitchEPhys.Rev.Lett.,1987.58:2059-2062光子晶体具有不同介电常数的介质材料随空间呈周期性的变化时，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，当这种空间有序排列的周期可与光的波长相比位于同一量级，而折射率的变化反差较大时带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(photonicbandgap)。第8页，课件共36页，创作于2023年2月光子晶体--自然界中的例子

?ButterflyOpalSeamouse第9页，课件共36页，创作于2023年2月在1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。他所采用的方法是在折射率为3.6的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料从此被称为“Yablonovich”，它可阻止里面的微波从任何方向传播出