2010年1月7日 星期四

光在光學晶體裡的傳播

光學晶體就是有週期性排列的小粒子,因為有週期性,跟光的作用就很規則,就有巨觀的效應可以被看到. 像甲蟲閃亮亮的殼就是. 看看模擬的過程來想像一下吧!

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http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%85%89%E5%AD%90%E6%99%B6%E4%BD%93

光子晶體(Photonic Crystal)指能對光作出反應的特殊晶格。光子晶體是指能夠影響光子運動的規則光學結構,這種影響類似於半導體晶體對於電子行為的影響。光子晶體以各種形式存在於自然界中,科學界對它的研究已經長達一百年。

儘管光子晶體的研究自從1887年就開始了,但直到一百年後的1987年,光子晶體這個名詞才被第一次出現在由Eli Yablonovitch [1] 和 Sajeev John [2]分別發表在《Physical Review Letters》上的兩篇關於光子晶體的標誌性文章中。

在1987年以前,詳盡的研究集中在一維光子晶體,即規則排列的多層半導體材料上(例如布拉格反射鏡)。瑞利爵士(Lord Rayleigh)從1887 [3]開始研究一維晶體,發現這種結構具有一維光子禁帶,即對於一定波長範圍的波具有極大的反射率。今天,這種結構被用在各種各樣的領域,從增加LED效率的反射塗層到到雷射腔中的高反鏡(例如VCSEL)。在Bykov [4] 的關於一維光子晶體結構的理論研究中,他第一次研究了在光子晶體中,光子禁帶對於鑲嵌其中的原子分子的自發發射現象的影響。Bykov還推測了二維以及三維光子晶體對自發發射的影響 [5]。但是,他的想法並沒有受到重視,直到1987,Yablonovitch和John 發表了他們的標誌性文章。這兩篇文章都探討了高維規則光學結構──光子晶體。Yablonovitch 的出發點是通過改變光子態的密度(photonic density of states)從而達到控制光子晶體中物質的自發發射;John 的想法則是利用光子晶體來控制光的行為。

自1987 後,關於光子晶體的學術論文的數量呈現出幾何級數上升的趨勢。但是,由於製作光學尺寸的光子晶體的難度太大,早期的研究大多集中在理論研究及微波級光子晶體(其尺寸在厘米級)的製造上。(電磁波具有非尺寸依靠特徵,所以在麥克斯韋方程的解中沒有實際的尺寸,因此厘米尺寸的結構對於微波的影響和奈米尺寸結構對可見光的影響是相同的。1991年,Yablonovitch製造出了第一個在微波範圍的三維光子晶體 [6]。

1996年,Thomas Krauss製作出了世界上第一個在光學尺寸上的一維光子晶體 [7]。他的成功開闢了一條新道路,即利用已有的半導體工業技術來製造半導體材料的光子晶體。如今,二維光子晶體,即半導體的薄片堆層應用在很多領域;如利用全內反射將光限制在晶體中而產生光子晶體效應及控制光的色散。世界上很多研究圍繞在利用光子晶體製作計算機晶片以提高計算機的運行速度。雖然這項技術還遠沒有達到商業應用,二維光子晶體已經被應用在光纖上。光子晶體光纖最早由Philip Russell在1998年製作,它相對於普通光纖有很多先進之處。

由於製作上的難度,三維晶體的研究遠遠落後於二維晶體,即使在半導體工業中也沒有可以借鑒的方法來製造三維光子晶體。最近,一些科研組發展出一些有效的方法,不少樣品被製作出來。[8] 例如,通過層層堆積方法製造出木料堆結構。又如,利用自組裝方法──讓大小均一的奈米尺寸微球通過自組裝形成三維規則結構。

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