光子晶体

null 光子晶体及其应用 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史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 光学性质半导体半导体操控电子的流动 IC Semiconductor laser ... 我们能否控制光子的流动？电子能带电子能带原子势场的周期排列单原子势场能级能带Electronic band structuresElectronic band structuresGLXGeGLXSiEgEg [111][100][111][100] 传统的操控光的流动 传统的操控光的流动全反射n =1.55, qc=40.2o Critical angle光子比电子的优点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全光通讯二十一世纪： internet era能否控制光子的流动？What is photonic crystal?What is photonic crystal?'Baby, One More Time' 'Oops I did it Again' 光子晶体是什么？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、光子禁带光子能带、光子禁带wk spaceDOSPhotonic band structure00光子晶体均匀介质wk光子能带的起源光子能带的起源 Bragg 散射 Mie 共振Photonic crystals in naturePhotonic crystals in naturePhotonic crystals in naturePhotonic crystals in natureWeevil 象鼻虫Photonic crystals in naturePhotonic crystals in natureSea mousePhotonic crystals in naturePhotonic crystals in nature二维光子晶体二维光子晶体二维光子晶体二维光子晶体三维光子晶体三维光子晶体Lincoln log structurePhotonic crystals vs semiconductorsPhotonic crystals vs semiconductors半导体~光子晶体半导体~光子晶体光半导体 未来的半导体 迅速成为国际学术界的研究热点 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》1998 Best bets 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》1999 Runners-up国际上激烈竞争国际上激烈竞争日美欧光子晶体的能带结构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 带标度不变性光限制光限制光波导光波导光折变光折变光子线路光子线路微腔波导Scaling propertyScaling propertySpontaneous emissionSpontaneous emissionFermi golden rulesExcited stateGround statephotonSpontaneous emission: modificationSpontaneous emission: modificationNaturalInhibitedEnhancedNo zero-point fluctuationNo zero-point fluctuationGround stateExcited stateStriking a match, is there light?Free spacePBG光子晶体的未来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宽带全向全反射器Photonic crystal核爆  射线探测器假目标？光子晶体天线光子晶体天线Brown et al., J. Opt. Soc. Am. B10, 404 (1993)一维全方位反射镜一维全方位反射镜Y. Fink, et al., Science 282, 1679 (1998)布儒斯特角的修饰布儒斯特角的修饰qiqtnintqiqtnintp wavenull各向异性布儒斯特角的修饰与消失光子晶体光纤光子晶体光纤J. C. Knight, et al., Science 282, 1476 (1998)自聚焦现象：超吸收应用自聚焦现象：超吸收应用X-射线激光微波吸收？红外吸收？光波导光波导微腔微腔MicrocavityMicrocavityPhotonic crystal microcavityGrating-like microcavityCylindrical cavity新型光子晶体激光器新型光子晶体激光器世界上最小的激光器世界上最小的激光器O.Painter et al., Science 284, 1819 (1999).光限制器、光开关光限制器、光开关n1n2 透射率光子带隙M. Scalora et al., Phys. Rev. Lett. 73, 1368 (1994).机理  微结构  材料制备 原型器件机理  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Super prismSuper prismConventinal prismPBG prism小尺寸、大波长小尺寸、大波长Crystal of capacitors. Four layers of the structure form one period of the diamond lattice (from Phys. Rev. Lett. 80, 2829).Light Sneaks through Small HolesLight Sneaks through Small HolesJ. A. Porto, et al., Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999)修饰发射特性：红外隐身修饰发射特性：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光延迟光延迟w01TransmissionPBGPhotonic MoleculePhotonic MoleculeM. Bayer, et al., Phys. Rev. Lett. 81, 2582 (1998) Photons confined within the photonic molecule are restricted to a set of discrete energies, like electrons in a real moleculenull光子晶体偏振器光子晶体量子阱：多通道滤波器光子晶体量子阱：多通道滤波器透明金属透明金属微波与 红外可见光Agglassnull红外反射光谱平均反射率95%null可见光透射光谱黄色带红色带Left handed materialsLeft handed materialsEB=mHkm > 0Right handed materialsEB=mHkm < 0S=EHHS=EHLeft handed materialsnull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Inverse Doppler effectInverse Doppler effect反常折射现象反常折射现象一维光子晶体一维光子晶体二维光子晶体二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三维微波光子晶体Lincoln Log-like structureLincoln Log-like structureSmallest three-dimensional photonic crystal yet fabricated excludes light in the wavelength range around 1.5 m.Shawn Lin et al., Optics Letters, 1 January, 1999Infrared photonic crystals fabricated using deep x-ray lithographyInfrared photonic crystals fabricated using deep x-ray lithographyG. Feiertag, et al., App. Phys. Lett. 71, 15 September 1997金属光子晶体金属光子晶体OpalOpalSiO2 particles fcc structureInverse opalInverse opalJ.E.G.J. Wijnhoven and W.L. Vos, Science 281, 802 (1998)Ordered microporous materials from rod-coil block copolymerOrdered microporous materials from rod-coil block copolymerS. A. Jenekhe and X.L. Chen, Science 283, 372 (1999)Sonic bandgap materialSonic bandgap materialJ.V. Sanchez-Perez et al., Phys. Rev. Lett. 80, 5325 (1998).波晶体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） 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。