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光子晶體中的反常折射現(xiàn)象論文
光子晶體中的反常折射現(xiàn)象論文
【摘 要】 光子晶體指具有光子帶隙特性的人造周期性電介結(jié)構(gòu)。
光子晶體的特殊性質(zhì)具有很大的潛在應(yīng)用前景，近些年，光子晶體成為了熱門的研究課題。
光子晶體在通信中的應(yīng)用給人們帶來(lái)了光子晶體光纖，隨著人們對(duì)通信速度和容量要求的不斷提高，傳統(tǒng)電子器件已經(jīng)很難滿足用戶需求，光子晶體光纖有著更高的信息容量、更快的反映速度、更強(qiáng)的互連能力。
光子晶體的廣泛應(yīng)用給各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)都帶來(lái)了巨大改變。
光子晶體還能夠?qū)崿F(xiàn)慢波、自聚焦等，未來(lái)光子晶體廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。
反常折射是光子晶體的重要特性之一。
本文將針對(duì)光子晶體中的反常折射現(xiàn)象展開(kāi)討論分析。
【關(guān)鍵詞】光子晶體;反常折射;折射原理
引言
光子晶體研究一直受到社會(huì)各界的關(guān)注，自一九九六年以來(lái)就先后有大量光子晶體相關(guān)發(fā)明被研究成功，例如：光子晶體直角導(dǎo)波、光子晶體反射鏡子、光子晶體光纖、光子晶體超棱鏡、光子晶體激光器、光子晶體天線等等。
很多研究成果被列為《科學(xué)》雜志十大研究中。
一九九九年美國(guó)MIT研制出了第一臺(tái)光子晶體反射鏡，這種反射鏡在特定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有全反射功能，利用這種技術(shù)制造的光子晶體光纖，理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗遠(yuǎn)距離傳輸。
近些年對(duì)光子晶體反常折射現(xiàn)象的研究越來(lái)越多，光子晶體的反常折射在器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。
一、光子晶體概述
光子晶體雖然是一個(gè)新詞，但實(shí)際上人們對(duì)光子晶體的研究很早就開(kāi)始了。
光子晶體雖然是人工制造，但實(shí)際上原型源自自然界，自然界中同樣存在這種物質(zhì)。
例如：自然形成的蛋白石，這種由二氧化硅納米球沉積形成的礦物，具有豐富的顏色。
但這種石頭豐富的色彩卻和色素沒(méi)有任何關(guān)系，而是因它自身幾何結(jié)構(gòu)上周期性使它具有了光子能帶結(jié)構(gòu)，所以在不同反射光下便會(huì)隨之變化顏色，與光子晶體有著類似的結(jié)構(gòu)。
光子晶體的特點(diǎn)是：具有周期性結(jié)構(gòu);具有相空間壓縮性能;具有結(jié)構(gòu)周期性;具有禁帶特性。
光子晶體一九八七年正式被提出，光子晶體是人工排列而成的人工微結(jié)構(gòu)，從材料結(jié)構(gòu)上來(lái)看光子晶體是屬于周期性介電結(jié)構(gòu)的人工晶體。
光子晶體與半導(dǎo)體晶格對(duì)電子函數(shù)的調(diào)制十分類似，但光子晶體具有更好的長(zhǎng)波選擇功能。
光子晶體的研究開(kāi)始于對(duì)自然現(xiàn)象的假設(shè)與研究。
科學(xué)家們假設(shè)光子具有類似于電子在晶體中傳播的規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上展開(kāi)了研究。
從光子晶體結(jié)構(gòu)圖上可以看出晶體內(nèi)部周期性有序排列，正是這種周期勢(shì)場(chǎng)的存在使運(yùn)動(dòng)電子受到周期勢(shì)場(chǎng)的布拉格散射從而形成能帶結(jié)構(gòu)，但帶與帶之間可能存在帶隙傳播過(guò)程中，能量落在帶隙中就無(wú)法傳播。
光子晶體的結(jié)構(gòu)類似于晶格節(jié)點(diǎn)周期性離子。
隨著對(duì)光子晶體研究不斷深入，很多科學(xué)家都針對(duì)光子晶體的應(yīng)用進(jìn)行了研究。
目前光子晶體多被應(yīng)用于光子學(xué)器件上，除了在光子器建方面的應(yīng)用外，在通信和信息方面的應(yīng)用，掀起信息技術(shù)發(fā)展的新的浪潮。
二、光子晶體中的反常折射現(xiàn)象
近些年，很多科學(xué)家針對(duì)光子晶體中的反常折射現(xiàn)象展開(kāi)了研究，一些科學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了光子晶體中存在反常折射。
實(shí)驗(yàn)中光在進(jìn)入晶體發(fā)生折射時(shí)，折射光不是偏向于法線方向，而是偏向界面方面。
這一實(shí)驗(yàn)證明了光子晶體中的反常折射現(xiàn)象的存在。
另有科學(xué)家證明光子晶體中折射光甚至與入射光位于界面發(fā)線方向同一側(cè)，出現(xiàn)負(fù)折射率。
這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在光頻率范圍內(nèi)，光子晶體折射率小于一，甚至小于零。
光子晶體的反常折射的現(xiàn)象原理分析可以通過(guò)分析頻率曲線來(lái)完成。
光在光子晶體傳播過(guò)程中頻率曲線決定著光子晶體布洛赫模群速度及方向，從而決定光如何在光子晶體內(nèi)部如何進(jìn)行折射。
通過(guò)以上分析不難看出，光子晶體頻率曲線與能帶分布都影響著折射效應(yīng)。
從色散曲線能帶分布情況便可判斷負(fù)折射效應(yīng)頻率范圍處于光子晶體禁帶區(qū)附近。
色散曲線對(duì)應(yīng)的頻率曲線具有負(fù)有效光子質(zhì)量，并且隨著頻率的不斷的增加，布洛赫模群速度方向都會(huì)產(chǎn)生負(fù)向偏折。
首次合成光子晶體反常折射介質(zhì)的是Smith等人。
在研究中應(yīng)用了Pendry理論，實(shí)驗(yàn)通過(guò)金屬線和金屬環(huán)實(shí)現(xiàn)，雖然實(shí)驗(yàn)成功但實(shí)際上金屬材料固有的吸收特性，在某種程度上也大大的限制了反常折射在短長(zhǎng)波方面的應(yīng)用效果，所以當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到推廣和應(yīng)用。
想要取得更好的效果降低短波損耗，必須使用一些其他的材料代替金屬實(shí)現(xiàn)反常折射效應(yīng)。
這一實(shí)驗(yàn)為后期光子晶體反常折射研究奠定了基礎(chǔ)。
經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，光子晶體已經(jīng)發(fā)展出了：一維光子晶體、二維光子晶體、三維。
目前一維光子晶體制備技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟起來(lái)，但對(duì)反常折射的特性控制技術(shù)卻還很少。
雖然三維光子晶體的性能幾乎包括了其他類型的所有特征，但是制備問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決，所以未來(lái)的光子晶體應(yīng)用的主流還會(huì)暫時(shí)停留在二維光子晶體上。
三、結(jié)束語(yǔ)
光子晶體是一種新型的材料，光子晶體反常折射現(xiàn)象也展現(xiàn)出了很大的潛在應(yīng)用前景。
如果利用光子晶體反常折射現(xiàn)象制作超透鏡，在光子晶體反常折射現(xiàn)象下的超透鏡，突破了傳統(tǒng)衍射極限，成像分辨率將大大被提高，從而實(shí)現(xiàn)“完美成像”光子晶體的廣泛推廣和應(yīng)用具有重要意義。
【參考文獻(xiàn)】
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