三维光子晶体及其制备技术研究进展_韩喻_图文

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材料导报   

  2007 年 5 月第 21 卷第 5 期

三维光子晶体及其制备技术研究进展 *
韩  喻 , 谢  凯
( 国防科学技术大学材料工程与应用化学系 , 长沙 410073)   摘要   光子晶体是一种新概念人工结构功能材料 , 通过设 计可以人为 调控经典 波的传输 。 而三 维光子晶 体能 产生全方向的完全禁带 , 具有更普遍的实用性 。 从结构 、材料及应用探索 3 方面介绍了近几年来光学波段三维光 子晶 体的最新发展动向 : 以器件化为指导 , 逐步由简单媒质简单周期 向复杂媒 质复合周期 结构方向 发展 , 由 胶体模板 自组 装等纯化学制备手段向物理化学方法相融合的多元技术扩展 , 其应用领域也由光电子器件 、集成光路 进一步拓展到光 电对抗 、光学探测 、传感等 。 关键词   三维光子晶体  光子禁带  周期结构  介电常数

Recent Development of Three-dimensional Photonic Crystals and Their Preparing Technology
H A N Yu , XIE Kai
( Depar tme nt o f M aterials Eng ineering and A ppiled Chemistry , N ational U nive rsity of Defense Technolo gy , Chang sha 410073)

Abstract   Pho to nic cry stal is a new field in a rtificial functio nal ma te rial . It can mo ld the flow of pho to ns much like conventio nal semiconductor doe s to electro ns .3D photo nic cr ystals are used mo re w idely because of real pho tonic band gap in all directio ns . Cur rent trends of development a re reviewed . Key words  3D pho tonic cry stals , photo nic band g ap , perio dic st ructure s , dielectric constant
 

0  前言
光子晶体[ 1 , 2] 是介电常数不同 的两种 材料在 空间按 一定的 周期排列所形成的一种人造“ 晶体” 结构 。 光子晶体中介电常数 是空间的周期函数 , 与半导 体材料 中的电 子在周 期性势 场作用 下存在能带相类似 , 光子晶体也具有光子能带及带隙 , 当光的频 率位于光子带隙范围内 时 , 它 将不能 在光子 晶体中传 播 。 由于 光子带隙的存在 , 产生了许多崭新的物理性质 , 使其可被用于制 备高性能的激光器 、高质量的选频器 、高性能的反射镜等光电子 与集成光电子器件 , 还可用 于制作 集成光 路的超 小型光 学元件 及光传输处理器件 , 其广阔 的应用 前景使 光子晶 体成为 当今世 界的一个研究热点 , 得到了迅速的发展 。 光子晶体的研究已经开 展了近 20 年 , 纵观 其发 展历程 , 研 究领域主要集中在 : ①完全 禁带光 子晶体 结构的 理论设 计和计 算; ②光子晶体的制备 ; ③光子晶体带隙所产生的物理效应和光 波在光子晶体中的传播规律 ; ④光子晶体中的非线性效 应 ; ⑤利 用光子晶体制备光子器件展开对光子晶体应用领域的探索 。 这 5 个领域 的发展相辅相成 、互相促进 , 而其中三维 光子晶体能产 生全方向的完全禁带 , 相比一维 、二维光子晶体仅能产生方向禁 带 , 具有更普遍的实用性 , 因此占据了光子晶体研究中很大的份 额 。 参考诸多公开发表的相 关文献 , 可以 发现经 过多年 的发展 和完善 , 简单媒质简单周期 结构三 维光子 晶体的 研究已 经相对 成熟 , 该领域正在以器件化为指导 , 逐步向复杂媒质复合周期结

构方向发展 , 由胶体模板自 组装等纯 化学制 备手段 向物理 化学 方法相融合的多元技术扩展 , 其应用领域也由光电子器件 、集成 光路进一步拓展到光 电对抗 、光学探测 、传感等 。 本文将分别从 结构 、材料及应用探索 3 方 面介绍近 几年来 光学波 段三维 光子 晶体的最新发展动向 。

1  结构
三维光子晶体以高介电常 数材料反 Opal 多孔结构为代表 , 通常采用 SiO2 或聚合物胶体小球自组装的 面心立方 Opal 结构 为模板 , 利用 CBD 方法 、电化学方法或 CV D 化学气相沉积 法填 充高介电常数 材料 , 最 后通 过反 洗 SiO2 或 聚合 物 小球 完成 反 O pa l 结构的制备 。 这种反 O pal 结构 仅能在 某一特 定频率 范围 实现完全带隙 , 且 禁带 较窄 , 无 法满 足多 频段 宽带 隙的 应用 需 求 。 因此其他结 构的 三维 光子 晶体 研究 成为 近年 来研 究的 热 点。

1. 1  复合周期结构
复合周期是 一种 多周 期叠 加的 多层 新型 三维 光子 晶体 结 构 。 每层周期结构的单 元尺寸 各不相 同 , 入 射光依 次与它 们发 生作用 , 在多个频率范围 产生光 学禁带 。 可 通过调 节周期 单元 尺寸的大小控制光学 禁带的相 对位置 , 实现 多频段 禁带或 禁带 展宽的效果 。 2006 年新加 坡国立大学的 Qing fen Yan 等采用水 平分段自组装的 方法成 功制 备出 了 560nm 有机 聚苯 乙烯 胶体 小球和 386nm 无机二氧化硅小球组合的 双层复合周 期结构 , 光

 *国家部委基金项目支持  韩喻 : 1981 年生 , 博士生 , 主要研究方向为光子晶 体  T el : 0731-4573149  E-mail : yumihan1981 @yahoo . com . cn

三维光子晶体及其制备技术研究进展/ 韩   喻等
谱测试结果显示复合周期结构产生的光学禁带由各层结构光学
[ 3] 禁带叠加而成 , 如 图 1( a) 。 但是, S. G. Ro mano v 等在研 究三

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层“ 夹层” 结 构光学传播特性 时指出 , 复合 结构光 学禁带 并非各 层结构光学禁带简单的线性 叠加 , 还需考 虑边界 效应的 额外增 益[ 4] 。 禁带宽度无法与应用波 长范围 完全匹配 , 是 光子晶体 器件 从理论研究走向实际应用最 迫切需 要解决的 问题之 一 , 而结构 叠加的方式不仅可以有控制 地增加 禁带宽度 , 还 可以在 多波段 同时产生光子禁带 , 扩展了单一 器件 的使用 范围 。“ 禁 带叠加 ” 这种方法在各维度光子晶体 的研究 中都得到 了验证 , 并 且从制 备技术角度也可实现 , 所以 被认为 在光子 晶体研 究方面 具有重 要的指导意义 。 另外复合周期结构还可满足相对复杂的应用需 求, M . Deubel 等德国科学家采用激光 直写技术 , 将 2D 和 3D 木 堆结构叠合 , 实现了 2D -3D -2D 光子 晶体 异质结 [ 5] 的制 备( 图1 ( b) )。 该结构是未来集成光路的重要元件之一 。

图 2 缺陷结构的制备 方法示意图 Fig . 2 Schemat ic presentation of methods for preparing defect structures in photonic crystal

1. 3  金刚石结构
中山大学 2005 年采用四束 光干涉 全息技 术成功 地制 备出 了类金刚石结 构[ 9 ] ( 图 3( a) ) 。 金刚石 结构 具有完 美的 全方 向 光学带隙 , 就应用性能而言是最佳选择之一 , 但因其结构的特殊 性 , 采用胶体自组装方法 制备难 度很大 。 而 干涉全 息技术 在制 备该结构方面具有明显优势 , 随着全息技术的日趋成熟 , 一次性 快速成型金刚石结构 成为可能 , 这无 疑将推 动金刚 石结构 在应 用领域的迅速 推广 。 适用 于 19G Hz 微波 波段 的 SiO2- TiO2 陶 瓷金刚石结构 [ 10] 也由 日本 Osaka 大 学通 过全息 技术 及后 期填 图 1  复合周期结构光子晶体电镜照片及光谱图 Fig . 1  Photographs and spectrum of complex photonic crystal structure 充烧结制备完成( 图 3( b) )。

1. 2  缺陷结构
在光子晶体的许多应用 领域 , 仅具有 三维光 子晶体的 周期 结构是没有任何意 义的 , 需要 引入 一些 缺陷 实现 共振 腔 、选频 器 、辐射及调节禁带特性等功能 , 尤其是在调制自发辐射方面作 用突出 。 二维光子晶体的制 备通常 采用各 种物理刻 蚀技术 , 引 入缺陷相对比较简单 , 而要 在三维 空间结 构的光 子晶体 中引入 缺陷就比较困难 。 近年来在 这方面 有了不 少进展 , 但方 法仍然 相对单一 , 需 借 助 半 导 体 物 理 刻蚀 方 法 预 先 设 置 缺 陷 局 域 。 Fredrik Jo nsson 等经过 3 步分 段沉 积过程 , 直 接采 用电子 束直 写技术在 PM M A 小 球 O pal 结 构 中 引 入 了 嵌 埋 型 空 气 点 缺 陷[ 6] , 见图 2( A)。 与 上述方法 相类似 , 利 用光刻胶 局域小 球自 组装范围可实 现点 缺陷 阵列 [ 7] 的制 备 , 见 图 2( B)。 除 了 关注 O pal结构中缺陷的引入外 , 日本 K yo to 大学 2006 年通过两个半 结构拼接完成了木堆结 构中线缺 陷[ 8 ] 的 制备 , 如图 2( C), 该结 构可满足光子晶体波导的应用要求 。 国防科大光子晶体研究小 组也已经完 成了三 维 Si 反 Opal 结构 中直角 半波导 的制备 , 目 前正在进行两个半波导键合为完整三维光子晶体直角波导的后 续研究 。 图 3  全息干涉技术制备金刚石结构 Fig . 3 Diamond structure prepared by holographic lithography

· 6· 1. 4  木堆结构

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木堆结构的制备研究开 展得很 早 , 但 之前只 能借助半 导体 刻蚀技术分层叠加实现 。 半 导体刻 蚀方法 制备工艺 复杂 , 分层 叠加结构稳定性和重现 性差 。 直到 2004 年 激光直 写技术 才很 好地解 决了这 一问 题 , M arkus Deubel 等 利用 激光直 写技 术获 得了聚合物材料体系 60μ m × 60μ m 的 高质 量木 堆结构 [ 11] 。 但 是聚合物的介电常数很小 , 不足以形成完全光学带隙 , 所以使用 高介电常数材料替代聚合物是 必然趋 势 。 Ozin 小 组于 2006 年 利用激光直写在 A s2 S 3 玻璃上一次成型具有完全带隙的木堆结 构三维光子晶体 , 同时也掌握了在聚合物 模板基础 上利用二 次复型填充法制备 Si 木堆 结构 三维 光子 晶体 的技 术 [ 13 ] , 如图
[ 12]

4 所示 。 上述结 构是诸多三维光子 晶体结构研究中最 具代表性的 4 种 , 围绕这些结构开展了很多相关研究 , 综合分析三维光子晶体 结构及其制备方面的 近期成果 不难发 现 , 该 领域研 究已不 再局 限于光子禁带纯物理 现象的理 论探讨 及实验验 证 , 而是更 多地 以器件化和可实现等 实际应用 为牵引 , 同时 器件使 用范围 的宽 波段 、缺陷态仍然 是未 完全 解决 的研 究热 点 ; 从制 备技 术的 角 度 , 低成本但重复性 、可控性较差的胶体 模板和化学填充等化学 制备技术与高投入却 高精度的 物理刻 蚀技术相 结合 , 也是 出于 光子晶体器件未来工 业化生产 的考虑 , 是光 子晶体 发展必 经的 过程 。

图 4 激光直写技术 制备木堆结构及其光学性能 Fig . 4 Photographs and spectrum of rods pile structure prepared by laser direct writing

2  材料
由光子晶体的原理可知 : 光学 禁带特 性取决 于光子晶 体中 介质材料的折射率配比 、不 同介电常 数材料 的填充 率和“ 晶格 ” 结构 。 所以 , 在光子晶体结构优化研究广泛开展的同时 , 对传统 半导体材料体系的拓展 也备受关 注 。 渐变 材料实现 带隙展 宽 , 相变材料实现带隙可调 , 为 光子晶 体带隙 控制提 供了更 加方便 的途径 ; 电光材料 、磁光材 料的引入 , 使光子 晶体的应 用领域不 再局限于光学范畴 , 也为电 光磁的 统一性 研究提 供了新 的研究 实例 。

2. 2  介电常数可调材料体系
最初开展光子晶 体研究的 目的就 是实现全 光路集 成 , 这其 中有许多诸如光开关 、光逻 辑运算器 等元器 件在工 作中需 一直 维持禁带可变的状态 , 而半 导体材料 体系的 光子晶 体禁带 特性 固定 , 无法满足需求 。 要解 决这一矛 盾只有 选择一 种介电 常数 可调的材料体系作为 光子晶体的介质 。 液晶是这类材料 中最典型 的代表 , 由于 液晶分 子的几 何形 状和排列方式 , 使其成为很好的光学各向异性材料 , 而且液晶分 子的排列方式对 外界 环境 变化 ( 如温 度 、电场 、磁 场等 ) 非常 敏 感 , 外加电( 磁) 场后 , 液 晶分子 长轴随 外场方向 偏转 , 指向 矢发 生改变 , 液晶材料的折射 率也随 之变化 。 有 关液晶 光子晶 体禁 带变化特性 [ 15 ~ 17] 的研究工作开 展得较 早 , 并一直 持续 , 其 禁带 可调性 能在 实 验中 得 到 验证 。 值得 一 提 的是 De nnis M cphail 等 [ 18 ] 在反木堆结构中填充高分子液晶 , 施加电 场后可实现 禁带 位置在 3 ~ 4μ m 波长范围内的调节 , 调 节范围超 过 70nm 。 这一 结果之所以引人注目 , 是因 为之前的 很多研 究显示 电场作 用下 液晶的介电常数变化 并不十分 明显 , 对禁带 的调节 效果远 不能 达到应用的期望 值 , 而现在 70nm 的 调节 范围已 基本 可以 实现 禁带的控制 , 确定了液晶有潜力成为光开关等器件的材料来源 。 除液晶外 , 某些无机材料也可实现禁带调 制功能 , E . G raugnard 等 [ 19 ] 在研究 TiO2 反 O pal 结构 三维 光 子晶 体 时 发现 , 在施 加 50kV/ cm 的电场后 , 禁带位置 将发 生 20nm 的偏移 。 但是 目前 研究的这些材料体系 在调节禁 带时都 采用电场 控制 , 需要 很高 的电场 强度 , 只能通过 外接设备来 完成 , 无法实现全 光集成 , 这 是制约它们进入应用 阶段的关键因素之一 , 需要进一步解决 。 近年来还有部分 研究人员开始关注自适应材料在光子晶体

2. 1  介电常数渐变材料
为了展宽禁带 , 除采用上述的复合周期结构外 , 利用介电常 数渐变的材料体系也 可以达 到同样效 果 。 Jeong -H o Park 等使 用溶胶-凝胶方法沿 Opal 结构 [ 111] 方向梯 度填 充高 介电 常数 材料[ 14] ( 如图 5), 光谱研究 结果显示 , 因周期结构内介电常数梯 度产生的系列禁带位置 部分重叠 , 整 体结构 禁带展宽 。 同时还 观察到因系列禁带的叠加 , 赝带隙中存在缺陷 能级的现象 。

图 5  介电常数渐变三维光子晶体禁带特性 Fig . 5 Photonic band of refractive -index-chirped photonic crystal structure

中的应用 。 自适应材料 属于智 能材料 的一个 分支 , 光子晶 体研 究中引入的主要是 光敏类 的自适应 材料 。 这 类材料 种类繁多 , 作用机理也各不相同 , 但其 中最主要 的是对 光强敏 感以钒 氧化

三维光子晶体及其制备技术研究进展/ 韩   喻等
物[ 20] 为代表的相变型材料和 以酞菁 [ 21 ] 为 代表的 反饱和 吸收型 材料 。 相变 型材料的作用机理是通过强光作用下的热效应使材 料发生相变 , 以钒氧化物为 例即改 变钒的 价态致 使晶型 发生改 变 , 材料的介电常数也随之发生变化 , 最终影响光子晶体的禁带 特性 。 以酞 菁为代表的反饱和吸收型材料则是由物质分子激发 态能级间跃迁所伴随的非线 性吸收 引起的 , 该效 应使得 材料随 光强的增加吸收系数增大 , 而光子 晶体自 身的非 线性效 应能增 强上述过程 。 这类自适应材料光子晶体除可用于光开关等集成 光路元器件外 , 还可用于激光防护等领域 。

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器 [ 30 ] 、高性能 反射镜[ 31] 等光电 子与集 成光电子 器件 , 在制 作集 成光路的超小型光学 元件[ 32] 及 光传输 处理器 件[ 33] 等方面 也存 在巨大的潜在 应用 价值 。 针对 这些 应用 领域 的研 究已 开展 多 年 , 相关的研究成果屡见报道 。 但是实际上 , 光子晶体的应用范 围并不局限于此 , 随着近几年来研究人员思路的拓展 , 光子晶体 在探测 、传感 、热光伏系统及军事防护等 方面的应用前景已初见 端倪 。

3. 1  探测
利 用光子 晶体的超 色散效 应[ 34] 有望提 高现有 探测器 焦平 面的分辨率 , 提高探测精度 , 这对民用和 军用都具有很大的吸引 力 。 早在 2003 年美国就展开了相关研 究[ 35] 。 他 们采用光 子晶 体组 构成 焦平 面阵 列 , 针对 散射 源 获得 了 1 ~ 10nm 的 分光 效 果 。 美国军方还在 2005 年和 2006 年 分别支 持了“ 太 空用 可调 超窄光子晶体干涉仪的光 谱和图 像性能” 、“ 光子晶 体多光 谱探 测阵列”( 图 7) 等项目 研究 。 除美 国外 , 澳大 利亚 T he A ustralian N atio nal U niver sity 也在 2005 年开始“ 光子晶体增强波 长选 择 、多色彩量子点红外光子探测器” 的研究 , 计划用于制造业 、矿 山 、环境保护 、国防和 国家安全 , 研 究范围 包括 : 光谱成 像 、远程 监视 、环境/ 污染监控和毒气及 生物危害物质的探测等 。

2. 3  其它材料体系
上述材料体系可以改善 光子晶 体的传输 特性 , 而还有 一些 材料的引入主要 针对 光子 晶体 的辐 射特 性 。 俄 罗斯 研究 人员 Sav eliy F .K aplan 等 分 别 研究 了 O pal-Z n2 SiO 4 ∶ M n 和 O pal G aN-Z nS ∶ M n 复合结 构的电场激 励自发辐 射现象 , 如图 6 。 实验结果显示 , 室温条件下施加交流电场激励 , 该复合结构发生 自发辐射 , 并且由于 光子禁带 的存在 , 自发辐射 呈现各向 异性 。 宽禁带半导体材料 ZnO 是短 波光 电应 用方面 最重 要的材 料之 一 , 可用于室温紫外激光器等器件 。 而 将 ZnO 与光子 晶体结构 相结合可以增强 ZnO 的光 致发光 特性 [ 23 , 24] 。 中科 大的研 究人 员在观察 Z nO-SiO2 复合 Opal 结构 时 发现 , 在 Xe 灯 的照射 下 , 黄-绿光的光致发光现象较 纳米 Z nO 明 显增强 , 其质 量也显
[ 25] [ 22 ]

著提高 , 同时热稳定性 也有很 大程度 的改善 。 这 种现象 是光子 晶体辐射增强效应作用的结果 。

图 7 光子晶体多光谱 探测示意图 Fig . 7 Schematic presentation of multimodal multiplex spectroscopy using photonic crystals

3. 2  传感
光子禁带特性的 变化将精确反映外界环境对光子晶体周期 图 6  电激励自发辐射三维光子晶体及其光谱特性 Fig . 6 Schematic presentation of electroluminescent photonic crystal structure and their spectrum 如果在光子晶体结构中 填充磁 性介质 , 它们 将在光学 响应 或非线性光学响应中显示磁场诱导 效应 [ 26 , 27] , 因 此这类 结构被 称为磁光子晶体 。 自从 1998 年在理 论上预 言一维 磁光子 晶体 法拉第旋转角将显著增加以 来 , 有 关磁光 子晶体 的研究 持续增 长 。 2006 年俄罗斯研究人员 T .V . M urzina 等 [ 28 ] 的研究表明 , 通过 Opal 结构渗 YIG 制备 出的 光子晶 体 , 在光 学禁 带的 边界 存在强磁光 K err 效应 , 磁性能 提高 7 . 5 %。 由 于电磁 波电 、光 、 磁的统一性 , 光子晶体在光 学方面 的特殊 表现必 会带来 相应的 电 、磁性 能的闪光点 , 目前 在这些相 关领域的研 究才刚刚 起步 , 值得进一步深入 , 无论在理 论探索 还是在 应用拓 展方面 都具有 开发的潜力 。 综合相关研究 还可以 发现 , 高性能 的电光 磁特性 主要都是由光子晶体的非线 性增强 效应引起 , 如 何更好 地利用 这一重要特性还有非常广阔的空间 。 结构或介质状态的影响 , 这是光子晶体传感器的简单工作原理 。 O zin 领导的研究小组在 2005 年和 2006 年分别研制出了氧化反 应传感器 [ 36] 和压力传感器 [ 37 ] , 见 图 8( a) 和( c) 。 氧 化反应 传感 器是在 Opal 结 构中引入聚乙 烯硅烷铁 络合物 组成的 电解 质面 缺陷 , 缺陷态波长对铁络合物的氧化还原反应十分敏感 , 其敏感 程度可由面缺陷的厚度及络合 基团所占的比例来控制 。 而压力 传感器则是通过压力 挤压弹性材料光子晶体改变周期单元的尺 寸进而 影 响 禁 带 位 置 。 我 国 中 科 院 也 开 展 了 类 似 pH 传 感 器 [ 38 ] 的研究 工作 , 如 图 8(b) , 它 由 PSM A -G 4 核 壳 小 球 组 成 O pa l 结构 , 壳层高分子 PA M A M-A T 中的 N-易与 H + 结合 , 因 此外界 pH 值的变化能刺激禁带位置发生改变 。

3. 3  热光伏发电辐射体
太阳能热光伏系统是一种 新的空间太阳能/ 电能转换装置 , 其原理是将热 辐射 能量 通过 半导 体 p - n 结 电池 直 接转 换为 电 能 。 对于热光伏电池 , 略高于电池带宽的单色光入射时 , 转换效 率可以超过 50 %[ 39] 。 将空间 多波段 太阳辐 射通过 选择性 热辐 射器转化为可被热光 伏电池高效利用的窄波辐射是进一步提高 热光伏系统效率的 主要途 径之一 。 光 子晶体 存在光 子禁带 , 处 于禁带内的光学模式 无法传播 而被完 全反射 , 而处 于通带 内的 辐射将得到增强 。 基于 这一原 理 , 光 子晶体 内的所 有自发 辐射

3  应用探索
光子晶体可用于 制备 高 Q 值 的激 光器
[ 29]

、高 质量 的 选频

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都能非常高效地转化为可以利用的光学模式 。 国外已经展开了 三维光子晶体热光伏辐 射源的 研究 工作( 图 9) , 如 美国能 源部 资助开展相关研究的 Sandia 国家 实验 室[ 40 , 41] 在实 测光谱 辐射 数据的基础上 , 计算模拟出禁带波长大 于 3μ m 的钨三 维光子晶 体在 1535K 时光电转化效率可达 34 %, 电功率 可达 14W/ cm 2 。 三维光子晶体辐射器的研制成功无疑会很大程度地改观目前空 间太阳能发电系统光电效率低 、供电能力不足 等重要问题 。

自身探测器在未来战 争的光电对抗中免受对手激光武器的干扰 和损毁 , 美国海军研究中心 进行了酞 菁自适 应激光 防护技 术的 研究 。 该技术利用光子晶体禁带效应增 强了酞菁材料反饱和吸 收特性 , 提高了激光防护 效率 。 这种 自适应 高效率 的途径 是激 光防护技术发展的必 然趋势 。

图 9  钨三维光子晶体热光伏辐射体 Fig . 9 3D tungsten photonic crystal which can be used as thermal photovoltaic cell emitter

图 10 “ Metamaterial” 弯曲电磁波达到隐身效果 Fig . 10  “ Metamaterial” is able to bend light around an object , ensuring it it' s invisible 当然 , 光传输 、集成光 学器件 、激光 器等传 统光子 晶体 应用 的研究仍然在向前发 展 , 但 可以发现 光子晶 体的价 值逐渐 在更 多的领域得到了体 现 。 很多对 波长敏 感的领 域 , 如 探测 、分光 , 以及需要精确反映材 料及周期结构特性的应用方向等都可以凭 借光子晶体在特定波长范围内 的光学禁带解决相关问题 。 光子 图 8 光子晶体传感器 Fig . 8 Schematic presentation of sensors using photonic crystal 晶体可能的应用前景 远不止上 述列举 的方向 , 更多 的应用 还有 待研究人员的发掘 。 光子晶体的发展并 不像有人提出的那样在 逐步萎缩和枯竭 。

3. 4  军用防护
光子晶体还可 用于 军事 隐 身技 术和 激 光防 护技 术 。 2006 年 5 月《 Science》 上提出了通过扭曲电磁辐射达到隐身效果的研 究思路[ 42] , 仅 5 个月后这一方 法就在 微波波 段得到了 验证 [ 43 ] 。 电磁辐射的扭曲原理( 见图 10) 是 利用 材料的 某些 特性实 现电 磁波的异常折射 , 使其碰到物体时产生曲度绕过物体 , 对物体后 部环境正常成像 , 从而 达到隐 身的目 的 。 这种具 有特殊 结构或 理化特性的材料被称为“ M e tama te rial” , 光子晶体因具备典型的 负折射效应自然名列其中 。 而之前瑞典国防研究院开展的有关 红外波段隐身项目的研究结果已经表明光子晶体利用禁带内波 长的高反射特性也可达 到良好的 红外隐 身效果 。 此 外 , 为保护

4  结语
综上所述 , 三维光子晶体的发展趋势为 : ( 1) 基本的三维光子晶体结构都已有制备手段 , 鉴于胶体模 板技术在制备大面积 模板时稳 定性不 足的缺陷 , 采 用光微 成型 技术与材料填充相结 合成为制备技术的发展趋势 ; ( 2) 随着光子晶体研究的深入 , 仅产 生光学禁带已无法满足 应用需求 , 结构复合化和介质可调谐已成为研究主流 ; ( 3) 因各种功能性介质的引入 , 光子 晶体的应用已不再局限 于纯光学技术领域 , 而是拓展到光电 、热 、磁等相关领域 。

三维光子晶体及其制备技术研究进展/ 韩   喻等 参考文献
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( 责任编辑   胡  晓)


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