三维光子晶体的制备研究

由于光子晶体可用于制造无阈值激光器、集成光学中转弯曲率半径极小的光路等,已受到人们的广泛关注. 我们采用多种方法制备了微粒球密堆积的蛋白石和反蛋白石结构的光子晶体.包括:利用溶胶-凝胶技术合成出单分散的直径在200～300 nm的SiO2小球,采用"稳态单向对流聚集"法、重力沉积法和提拉法,制备了SiO2微粒球单层和多层的光子晶体.用单分散的直径为200 nm的聚苯乙烯(PS)微粒球,通过重力沉积的方法制备出蛋白石结构的光子晶体样品,然后在PS孔隙中渗入TiO2起始溶液,形成反蛋白石结构的光子晶体.通过反射光谱、透射光谱、扫描电镜等手段表征,证实了我们确实已得到了质量好的光子晶体.我们还结合"软印刷"技术制备了具有微图形的反蛋白石结构的光子晶体.利用聚苯乙烯微粒球制备了条状TiO2反蛋白石结构的光子晶体,用扫描电镜观察了其表面结构.用光纤直接将激光导入到条状样品中测量激光的衰减和激光波长的关系,发现激光衰减极大的位置与重力堆积的样品的透射谱极小处相符.实验表明使用软印刷技术为光子晶体在微光子学领域中的应用提供了一条新的可行途径.(OH1)     

中红外完全光子带隙Ge反蛋白石三维光子晶体的制备

采用溶剂蒸发对流自组装法将单分散二氧化硅（SiO2）微球组装形成三维有序胶体晶体模板。以锗烷（GeH4）为先驱体气,用等离子增强化学气相沉积法向胶体晶体的空隙中填充高折射率材料Ge。酸洗去除二氧化硅微球,得到Ge反蛋白石三维光子晶体。通过扫描电镜、X射线衍射仪和傅立叶变换显微红外光谱仪对锗反蛋白石的形貌、成分和光学性能进行了表征。结果表明：Ge在SiO2微球空隙内填充致密均匀,得到的锗为多晶态,锗反蛋白石为三维有序多孔结构。锗反蛋白石的测试光谱图有明显的光学反射峰,表现出光子带隙效应。测试的完全光子带隙位于中红外3.4µm处,测试的光学性能与理论计算基本吻合。     

垂直沉积法制备高质量胶体光子晶体

利用乳液聚合方法制备了粒径约为262 nm的单分散聚苯乙烯(PS)微球。通过控制溶剂蒸发温度和液体表面下降的速度,用垂直沉积法较快速地制备出了在较大范围呈现很好有序性的密排结构聚苯乙烯胶体光子晶体,其在626 nm波长处存在光子带隙。在扫描电子显微镜(SEM)下,观察到该胶体光子晶体是面心立方(fcc)密排结构。实验结果表明,对于粒径为262 nm的聚苯乙烯微球,在温度为55℃,质量分数为0.3%的情况下,当液体表面下降的速度约为每天3 mm时,可以得到高质量的胶体光子晶体。这种高质量的胶体光子晶体可以为利用模板技术制备具有完全带隙的有序孔结构提供较理想的模板。     

单分散性sio2胶体微球自组装光子晶体的实验研究

光子晶体是一种周期性电介质材料,具有光子带隙和光子局域等一系列优异的光学特性。制备了多种不同直径的单分散二氧化硅胶体微球,采用垂直沉积法将不同直径,以及同一直径不同浓度的二氧化硅胶体微球自组装成多种光子晶体薄膜,并用扫描电子显微镜和紫外—可见—近红外分光光度计对其微观结构和光学特性进行了表征,结果表明所得晶体薄膜具有三维有序结构,其表面存点、线缺陷。自组装得到的光子晶体薄膜存在明显的光子带隙特征,带隙位置与二氧化硅胶体微球直径有关,带隙中心波长与理论值一致。随着二氧化硅胶体微球浓度的增加,光子带隙深度增加,特性更好,但是,当浓度大于10%时,光子带隙的深度反而减小。     

二氧化硅胶体光子晶体的光学特性研究

采用垂直沉积法自组装SiO2胶体光子晶体,并利用紫外-可见-近红外分光光度计对胶体晶体的光学特征进行了研究。结果发现,二氧化硅胶体微球的浓度越大,光子带隙深度增加,透射率变小,但光子带隙中心波长位置保持一致。此外,当入射光以不同的角度入射到样品表面时,其透射光谱具有新颖的光学特性,其成因被探究。     

具有分形特征的二维金属型光子晶体带隙特性

采用空域有限差分法模拟了(Vicsek-分形结构和Von-雪花分形结构)具有分形特征的二维金属型光子晶体的带隙特性.结果发现采用分形结构后,光子晶体产生了与谐振无关的多频段带隙甚至出现了完全带隙,带隙宽度得到了进一步展宽,为设计多频段光子晶体带隙提供了一条新的途径.     

不同结构光子晶体带隙特性研究

基于平面波展开法数值模拟了砷化镓构成二维正方品格、三角晶格和六角晶格光子晶体的带隙特性,得出构成的三角晶格具有较大完全带隙。数值模拟了砷化镓构成三维光子晶体的金刚石结构、蛋白石结构和木堆结构,得出金刚石结构具有较高的完全带隙。结论为实验及应用研究提供理论支持。     

混合光子晶体等离子激元纳米微腔

构建了一种三层混合光子晶体等离子体激元结构,分别为金属银(Ag)层,低折射率二氧化硅(SiO2)层和二维光子晶体层。这种混合光子晶体等离子体激元结构具有明显的横磁模(TM)模式带隙。在二维的光子晶体层的中心引入一个单元胞缺陷,形成缺陷腔结构。这种纳米尺度的光子晶体等离子体微腔的体积远小于传统介质的光学微腔,光子能量可以很好地被局域到低折射率层,实现了深亚波长尺度下的对光的限制。通过改变该混合光子晶体等离子激元结构的参数,利用三维时域有限差分(3D-FDTD)方法,分析了这种混合光子晶体等离子微腔结构的光学特性。分析表明:这种纳米微腔具有极小的模式体积0.0141(λ/n)3和高的Q/V值。     

光子晶体中矢量的Bloch定理

众所周知,在半导体中,由于势场的周期性,使得电子的能量呈带状结构,带和带之间可能有间隙带隙;它可以通过解周期场下的薛定谔方程来得到.光场的亥姆霍兹方程十分相似;因而当介电常数具有周期性时,在光子晶体能带结构中也可能存在带隙,频率落在光子带隙内的光波不能在光子晶体中传播.这种类似半导体的周期性电介质结构称为光子晶体.这种材料有一个显著的特点是它可以利用带结构中可能存在的带隙,如人所愿的控制光子的运动.因此,光子晶体的应用非常广泛,可以制作高性能器件:新型的平面天线、光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜等. Bloch定理是光子晶体理论中平面波方法和传输矩阵法的重要理论基础.本文运用量子力学中的算符理论,将Bloch定理由标量场推广到矢量场;发现这是电介质材料具有空间平移对称性的直接结论.(PH12)     

光子晶体结构、制备技术和应用进展

介绍了光子晶体的结构、制备技术和应用方面的最新进展。继金刚石结构之后,又证实了圆木堆积、反蛋白石和矩形螺旋结构具有完全光子带隙。光子晶体的制备技术大体可分为微电子制备技术、自组装技术与层层叠加技术,三者各有优缺点。光子晶体在光子晶体光纤、光子晶体激光器、光子晶体波导等众多领域有着广阔的应用前景。     

基于Mie散射理论的反蛋白石光子晶体定域化研究

根据Mie散射理论和低浓度近似,对金属氧化物构成的反蛋白石光子晶体的光子定域化区进行了研究。结果发现,该光子晶体在14 到18 区域出现多个光子禁带,并且讨论了影响定域化参量的各种因素,为实现光子定域化现象提供理论参考。     

From Metastable Colloidal Crystalline Arrays to Fast Responsive Mechanochromic Photonic Gels: An Organic Gel for Deformation‐Based Display Panels

An efficient and straightforward method is developed to prepare a mechanochromic photonic gel by fixing the metastable SiO₂ colloidal crystalline array (CCA) in the mixture of ethylene glycol (EG) and poly(ethylene glycol) methacrylate (PEGMA) through photopolymerization. Thanks to the recent fabrication of solvent‐wrapped, metastable CCA, a high volume fraction of EG (46%) is introduced to the photonic gel before particle assembly, but not by swelling after polymerization, which leads to a more deformable composite than most reported opal gels. Compared to traditional photonic gels, this opal gel not only has improved mechanochromic sensitivity to weak external force and extended color tuning range from red to blue (Δλ = 150 nm), but also possesses fast and reversible response in millisecond level (20–200 ms), repeatable reflection signals in cycling and fatigue tests, and good resolution in response to localized deformation, which renders it an ideal deformation‐based photonic display screen. A new trigger system is designed to solve the large deformation causing color fading in conventional mechanochromic gels and brilliant red, green, and blue (RGB) pixels can be conveniently manipulated by ‘pushing’ operations.     

3D胶状晶体膜及其渗透金的氧化硅人工蛋白石的制备

用纯的单分散氧化硅胶体微球作为基质,在水-空气界面构筑无载体三维有序胶质晶体膜.该高度有序三维周期性结构具有明显的光学衍射现象.利用电沉积的方法将纳米金渗透到这种人工蛋白石的空隙中,构成gold/silica复合蛋白石材料.详细研究了该复合蛋白石的透射光谱和反射光谱,用扫描电镜观察了复合蛋白石结构的形貌特征,并对渗透金后蛋白石的光谱移动进行了分析.     

3D胶状晶体膜及其渗透金的氧化硅人工蛋白石的制备

用纯的单分散氧化硅胶体微球作为基质，在水-空气界面构筑无载体三维有序胶质晶体膜.该高度有序三维周期性结构具有明显的光学衍射现象.利用电沉积的方法将纳米金渗透到这种人工蛋白石的空隙中，构成gold/silica复合蛋白石材料.详细研究了该复合蛋白石的透射光谱和反射光谱，用扫描电镜观察了复合蛋白石结构的形貌特征，并对渗透金后蛋白石的光谱移动进行了分析.     

Er^3＋-activated silica inverse opals synthesized by the solgel method

We present the details of the sol-gel processing used to realize inverse silica opal,where the silica was activated with 0.3 mol% of Er3 ions. The template(direct opal) was obtained assembling polystyrene spheres of the dimensions of 260 nm by means of a vertical deposition technique. The Er3 -activated silica inverse opal was obtained infiltrating,into the void of the template,the silica sol doped with Er3 ions and subsequently removing the polystyrene spheres by means of calcinations. Scanning electron microscope showed that the inverse opals possess a fcc structure with a air hollows of about 210 nm and a photonic band gap,in the visible range,was observed from reflectance measurements. Spectroscopic properties of Er3 -activated silica inverse opal were investigated by luminescence spectroscopy,where,upon excitation at 514.5 nm,an emission of 4I13/2 → 4I15/2 of Er3 ions transition with a 21 nm bandwidth was observed. Moreover the 4I13/2 level decay curve presents a single-exponential profile,with a measured lifetime of 18 ms,corresponding a high quantum efficiency of the system.     

人工蛋白石光子晶体制备技术及改性研究进展

人工蛋工白石是一种极有前途的三维光子晶体带隙材料，介绍了二氧化硅人工蛋白石光子晶体在制备方面的研究进展及其改性研究的发展现状。     

Photonic bandgap formation and tunability in certainself-organizing systems

We describe the microfabrication and band structure of large scale three-dimensional (3D) photonic bandgap (PBG) materials based on self-organizing templates. The simplest of these templates is an fcc lattice of close-packed, weakly sintered spheres. Other templates include hcp and hexagonal AB₂ self-organizing photonic crystals. These photonic crystals may be converted into PEG materials by partially infiltrating the template with high refractive index semiconductors such as Si, Ge, or GaP and subsequently removing the template. The resulting “inverse opal” structure exhibits both a photonic pseudogap and a complete (3D) PBG in the near visible spectrum, spanning up to 15% of the gap center frequency. The local density of states (LDOS) for photons exhibits considerable variation from point to point in coordinate space and reveals large spectral gaps even in the absence of a PEG in the total density of states. These gaps in the LDOS may lead to novel effects in quantum and nonlinear optics when active atoms or molecules are placed within the PBG material. These effects include anomalous, low threshold nonlinear response, collective atomic switching, and low-threshold all-optical transistor action. When an optically birefringent nematic liquid crystal is infiltrated into the void regions of the “inverse” opal PBG material, the resulting composite material exhibits a completely tunable PBG. In particular, the 3D PBG can be completely opened or closed by applying an electric field which rotates the axis of the nematic molecules relative to the inverse opal backbone     

光波在三维光子晶体中定域化特性的数值研究

基于Mie散射理论和低浓度近似，对锗蛋白石类光子晶体中的光子定域化现象进行了研究，数值揭示了入射波长、散射体大小和基质折射率对定域化参量的影响规律。结果表明，在散射体浓度为10%，相对折射率大于3.8，在中红外区3um~12um范围内出现了理想的定域化现象；随着入射波长的增大，定域化区所对应的散射体半径增大，定域化参量减小；同时，基质折射率的增大导致退定域化现象。     

Double‐Inverse‐Opal Photonic Crystals: The Route to Photonic Bandgap Switching

Photonic crystals with a complete bandgap can stop the propagation of light of a certain frequency in all directions. We introduce double‐inverse‐opal photonic crystals (DIOPCs) as a new kind of optical switch. In the DIOPC, a movable, weakly scattering sphere is embedded within each pore of the inverse‐opal photonic crystal lattice. Switching between a diffusive reflector and a photonic crystal environment is experimentally demonstrated. Theory shows that a complete bandgap can be realized that can be opened or closed by moving the spheres. This functionality opens up new possibilities for the control of light emission and propagation. The close link and interaction between the chemical synthesis and the computational design and analysis underlines the interdisciplinary focus of this report.     

快速间隙式加料法制备单分散二氧化硅微球

应用快速间隙式加料法制备了单分散二氧化硅亚微米粒子。粒径可控,单分散性良好。该方法可以1h之内将113nm的种子SiO2粒子增长到429nm。本方法制得的二氧化硅粒子可以用来制备具有优良的光学性能的光子晶体膜。