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超快速可调谐有机非线性光子晶体


□ 胡小永 江 萍 杨 宏 龚旗煌

  摘 要光子晶体是一种新型的光子学材料,具有独特的光子带隙特性,能有效地控制光子的传输状态.可调谐光子晶体的光子带隙的位置和宽度能够随着外部参数的变化而改变,是实现集成光子器件的重要基础.文章介绍了基于有机共轭聚合物材料的非线性光子晶体的超快速可调谐特性.
  关键词光子晶体,非线性光学,聚苯乙烯,超快速时间响应
  
  The Rao Yutai 2nd class award for fundamental optics ——Ultrafast tunable organic nonlinear photonic crystals
  HU Xiao\|YongJIANG PingYANG HongGONG Qi\|Huang
  ( State Key Laboratory for Mesoscopic Physics, Department of Physics, Peking University, Beijing 100871, China )
  
  AbstractAs a novel photonic material, photonic crystals possess unique photonic bandgap properties and can manipulate the propagation of photons. Tunable photonic crystals,the position and width of whose bandgap vary with the external parameters, are important elements for integrated photonic devices. We report on the development of ultrafast tunable organic photonic crystals based on the excellent optical nonlinearity of organic conjugated polymers.
  Keywordsphotonic crystal, nonlinear optics, Polystyrene, ultrafast response time
  
  1 光子晶体
  
  光子晶体是由两种或者两种以上的介电材料在空间周期性排列所形成的一种新型的光子学材料.光子晶体的概念是由Yablonovith[1] 和John[2] 在1987年提出来的,他们指出,介电函数在空间周期性变化的材料能够调制电磁波的传输状态和模式.对于半导体材料,当电子在其中传播时,由于受到原子周期性排列所形成的周期性势场的调制作用而出现导带和禁带.类似地,对于介电函数在空间周期性变化的材料,当电磁波在其中传播时,周期性介电函数对电磁波的调制作用同样会产生导带和禁带.光子晶体的禁带又称为光子带隙(photonic bandgap, PBG).利用光子晶体的光子带隙特性,能够实现对电磁波的传输状态进行人工操控.
  如果入射电磁波的频率落入光子带隙内,由于光子晶体的强烈的布拉格散射效应,电磁波将被光子晶体全部反射回来而不能在光子晶体中传播.光子晶体的光子带隙出现在布里渊区的边界上,它不仅与光子的能量有关,还与光子的传播方向有关.如果光子晶体在空间的所有传播方向上都有带隙,并且每个方向上的带隙都能相互重叠,则称这种光子晶体是完全带隙光子晶体.如果光子晶体只在特定的传播方向上具有带隙,则称之为不完全带隙光子晶体.半导体材料的缺陷和掺杂特性会影响其能带结构.向纯净的半导体材料中掺入少量杂质,会在禁带中出现相应的缺陷能级.类似地,可以在光子晶体中引入缺陷,缺陷的引入同样会在光子带隙中产生相应的缺陷态,从而影响光子晶体的能带结构.当缺陷是由引入额外的高介电材料所致时,其特性就类似于半导体掺杂中的施主原子,缺陷能级将起始于空气带(即高频带,又称短波带)的底部,并且随着缺陷尺寸的增大而移向介电带(即低频带,又称长波带);当缺陷是由移去部分的高介电材料所致时,其特性就类似于半导体掺杂中的受主原子,缺陷能级将起始于介电带的顶部,并且随着缺陷尺寸的增大而移向空气带[3].
  光子晶体按照空间周期性可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体.光子晶体的晶格尺寸必须与光波的波长相当.广泛应用的布拉格多层介质膜结构就是一种一维光子晶体.对于二维和三维光子晶体,要获得光电子工业所需的可见光和近红外波段的光子带隙,晶格常数必须在微米、亚微米的量级.二维光子晶体的制备主要采用聚焦粒子束刻蚀、电子束刻蚀等微加工技术来实现[4],除此之外,人们还发展了纳米压印和多光束干涉等技术来制备二维光子晶体[5,6].三维光子晶体的制备方法主要有:胶体颗粒的自组织生长法[7]、激光全息法[8]和激光直写法[9]等等.
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