CN1996100A - 温度调控一维光子晶体产生动态光子晶体的方法 - Google Patents
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Abstract
温度调控一维光子晶体产生动态光子晶体的方法，以加热炉连接在多层膜结构一维光子晶体上，当加热炉温度改变时，一维光子晶体的温度也发生改变，温度的改变导致膜层材料折射率发生改变，一维光子晶体的光子禁带位置随之发生偏移，形成动态光子晶体。本发明采用温度调制多层膜结构的一维光子晶体产生动态光子晶体，并不涉及二、三维光子晶体结构的制作和液晶材料的填充实验，通过温度调制膜层材料的折射率变化从而使光子带隙发生偏移，并有多种膜层材料可应用于本发明，大大降低了实验难度且灵活易行。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态光子晶体产生方法，属于光子晶体领域技术。
背景技术
光子晶体的概念首先提出于1987年，由美国贝尔通讯研究中心的Yablonovitch和普林斯顿大学物理系的John分别独立地提出的。光子晶体是一类介电常数周期性分布的人工结构材料，当电磁波在其中传播时，受到多重散射，散射波之间的干涉作用使光子晶体具有类似于固体晶体的能带结构，在带与带之间存在光子带隙。自光子晶体概念提出以来，理论方面主要以计算和测试静态光子晶体的光学性质为主；器件方面主要以研究光子晶体偏振器、光波导、光子晶体激光器、光子晶体光纤等被动光学器件为主。随着研究工作的深入，人们发现在光、电场、温度、压力、化学和生物环境等外在调制作用下，静态光子晶体的光子带隙、缺陷能量水平、光折射等关键光学性质将发生变化，成为光子带隙可调的动态光子晶体。近年来动态光子晶体已成为光子晶体研究领域新的研究热点。
根据文献检索，美国Stanford大学研究了一种具有缺陷的四方晶格介质柱型耦合阵列式光子晶体结构，在入射脉冲光作用下实现对静态光子晶体折射率等光学性质的调制(Mehmet F.Yanik，Shanhui Fan，STUDIES IN APPLIEDMATHEMATICS，115：233-253，2005)。日本Osaka大学研究了将液晶材料填充于蛋白石结构光子晶体中，在温度的调制作用下，光子晶体禁带位置发生偏移，形成一种动态光子晶体(Katsumi Yoshino，Yuki Shimoda，et al，Temperature tuning ofthestop band in transmission spectra of liquid-crystals infiltrated synthetic opals astunable photonic crystal，ApplPhys Lett，75(7)，1999)。美国Colorado大学研究了采用真空毛细管作用将单轴向列液晶MerckPCH5填充于蛋白石结构光子晶体中，研究发现当液晶分子的长分子轴向平行于球表面时，在外界电场作用下，光子晶体的布拉格反射光谱发生偏移(Daeseung Kang，Joseph E.Maclennan，etal.Electro-optic BehaVior of Ljquid-Crystal -Filled Silica Opal PhotonicCrystals：Effect of Liquid-Crystal Alignment，Phys Rev Lett，86(18)，2001)。加拿大和德国的研究人员发现将液晶E7填充于呈三角排布的二维光子晶体空气孔中，当外界温度升高时，液晶材料E7由向列分布变为各向同性，则H偏振的光子禁带偏移70nm(S.W.Leonard，J.P.Mondia，et al.Tunable two-dimensional photonic crystalsusing liquid-crystal infiltra-tion，Phys Rev B，61(4)，2000)。德国研究人员采用表面声波的弹光效应调制一维静态光子晶体的结构尺寸和折射率，利用新的散射过程提高表面声波调制器的效率(Paulo V.Santos，Collinear light mod-ulation by surfaceacoustic waves in laterally structured semiconductors，J Appl Phys，89(9)，2001)。
上述文献主要研究了在脉冲光、表面声波、温度的外界调制作用下静态光子晶体的光子带隙发生偏移。其中温度的调制主要研究将液晶材料填充在二维和三维光子晶体结构的空气间隙中，利用温度对液晶材料的调制而使光子带隙发生偏移。而二维和三维光子晶体结构的制作本身就是光子晶体研究领域的难点所在，而将液晶材料填充于光子晶体的空气间隙中，实验难度也很大。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术实验制作难度大的问题，提供一种简单易行的动态光子晶体产生方法，采用温度调制多层膜结构的一维光子晶体产生动态光子晶体，并不涉及二、三维光子晶体结构的制作和液晶材料的填充实验，通过温度调制膜层材料的折射率变化从而使光子带隙发生偏移，并有多种膜层材料可应用于本发明，大大降低了实验难度且灵活易行。
本发明的技术方案：动态光子晶体产生方法，其特点在于：将加热炉连接在多层膜结构一维光子晶体上，当加热炉温度发生改变时，一维光子晶体的温度也发生改变，温度的改变导致膜层材料折射率发生改变，一维光子晶体的光子禁带位置随之发生偏移，形成动态光子晶体。
所述的加热炉温度可控，且温度调节范围为20℃～350℃。
所述的多层膜结构一维光子晶体由二氧化硅(SiO2)和折射率对温度变化相对敏感的另一种膜层材料交替制备，如二氧化钛(TiO2)、或氧化锆(ZrO2)、或氧化铝(Al2O3)、或一氧化镁(MgO)等，其中SiO2的折射率不随温度变化而改变。SiO2膜层是在熔石英基底上由真空蒸发SiO膜料制备SiO2薄膜，在较高的氧气分压强下以较低的淀积速度进行淀积，淀积参数为：氧气分压强为5～11×10-5Torr，淀积速度为2～6/s。折射率对温度变化相对敏感的另一种膜层材料的制备是采用钨舟电子束加热蒸发相应的膜料在所制备的SiO2膜层上，不同膜层的制备采用不同的膜料和加热温度。TiO2膜层的制备采用TiO膜料，加热温度为1750℃～2200℃；ZrO2膜层的制备采用ZrO2膜料，加热温度为2200℃～2700℃；Al2O3膜层的制备采用Al2O3膜料，加热温度为1550℃～2050℃；MgO膜层的制备采用MgO膜料，加热温度为2400℃～2800℃。
本发明与现有技术相比的优点在于：以温度调制膜层材料的折射率发生变化，使一维光子晶体的光子禁带发生偏移，并不涉及二、三维光子晶体结构的制作和液晶材料的填充实验，大大降低了实验难度并且简单易行。
附图说明：
图1为本发明的一维光子晶体结构示意图；
图2为本发明的温度调制一维光子晶体实验示意图；
图3为本发明的动态光子晶体光子带隙图。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步说明。
图1所示为高低折射率材料交替排列呈周期结构分布的一维光子晶体。图中两种材料的折射率分别为n1，n2，假设n1＞n2；两种材料的厚度分别为h1，h2；晶格常数为a，a＝h1+h2；两种材料的厚度，即晶格常数a和入射光波长相关。制作材料可以是TiO2、或ZrO2、或Al2O3、或MgO、或SiO2等。
例1以入射光波长为420nm为例，TiO2和SiO2的折射率分别为n1＝2.55和n2＝1.45，两种材料的宽度分别为h1＝50.11nm(TiO2)，h2＝81.77nm(SiO2)。
例2以入射光波长为550nm为例，TiO2和SiO2的折射率分别为n1＝2.55和n2＝1.45，两种材料的宽度分别为h1＝65.65nm(TiO2)，h2＝107.11nm(SiO2)。
例3以入射光波长为700nm为例，TiO2和SiO2的折射率分别为n1＝2.55和n2＝1.45，两种材料的宽度分别为h1＝83.52nm(TiO2)，h2＝136.28nm(SiO2)。
图2所示为温度调制一维光子晶体实验示意图。图中加热炉连接在一维光子晶体上，当加热炉温度改变时，一维光子晶体的温度也随之发生改变，温度的改变导致膜层材料的折射率发生改变。
例5以ZrO2和SiO2交替排列呈周期结构分布的一维光子晶体为例，当加热炉温度控制在25℃时，ZrO2膜层的折射率为1.97；加热炉温度升高为250℃时，ZrO2膜层的折射率为2.11。
例6以Al2O3和SiO2交替排列呈周期结构分布的一维光子晶体为例，当加热炉温度控制在40℃时，Al2O3膜层的折射率为1.54；加热炉温度升高为300℃时，Al2O3膜层的折射率为1.63。
例7以MgO和SiO2交替排列呈周期结构分布的一维光子晶体为例，当加热炉温度控制在50℃时，MgO膜层的折射率为1.7；加热炉温度升高为300℃时，MgO膜层的折射率为1.74。
图3所示为动态光子晶体的光子带隙图。图中横坐标为光子晶体布里渊区的高对称点，纵坐标为光子晶体光子带隙结构对应的频率。图中的网格区为禁带区，所对应的纵坐标为禁带频率范围，即当入射光频率位于禁带频率范围时不能在光子晶体中传播；图中的空白区为导带区，所对应的纵坐标为导带频率范围，即位于导带频率范围的入射光可在光子晶体中传播。
例8以TiO2和SiO2交替排列呈周期结构分布的一维光子晶体为例，两种材料的宽度分别为h1＝50.11nm(TiO2)，h2＝81.77nm(SiO2)，此膜层宽度是对应于入射光波长为420nm。SiO2的折射率为1.45，当加热炉温度为室温25℃时，TiO2膜层的折射率为1.95；当加热炉温度升高为260℃时，TiO2膜层的折射率为2.55。采用美国Rsoft公司的Bandsolve软件分别计算不同温度条件下一维光子晶体的第一光子禁带波长范围，分别输入TiO2和SiO2的膜层宽度和不同温度条件下折射率，然后进行计算，计算得到室温25℃时，第一禁带波长范围为399nm～473nm；260℃时，第一禁带波长范围423nm～608nm，光子禁带位置明显发生偏移，形成动态光子晶体。
例9以ZrO2和SiO2交替排列呈周期结构分布的一维光子晶体为例，两种材料的宽度分别为h1＝66.51nm(ZrO2)，h2＝92.99nm(SiO2)，此膜层宽度是对应于入射光波长为550nm。SiO2的折射率为1.45，当加热炉温度为室温25℃时，ZrO2膜层的折射率为1.97；当加热炉温度升高为250℃时，ZrO2膜层的折射率为2.11。采用美国Rsoft公司的Bandsolve软件分别计算不同温度条件下一维光子晶体的第一光子禁带波长范围，分别输入ZrO2和SiO2的膜层宽度和不同温度条件下折射率，然后进行计算，计算得到室温25℃时，第一禁带波长范围为490nm～582nm；250℃时，第一禁带波长范围495nm～620nm，光子禁带位置明显发生偏移，形成动态光子晶体。
Claims (4)
1、温度调控一维光子晶体产生动态光子晶体的方法，其特征在于：将加热炉连接在多层膜结构一维光子晶体上，当加热炉温度改变时，一维光子晶体的温度也发生改变，温度的改变导致膜层材料折射率发生改变，一维光子晶体的光子禁带位置随之发生偏移，形成动态光子晶体。
2、根据权利要求1所述的温度调控一维光子晶体产生动态光子晶体的方法，其特征在于：所述的加热炉温度可控，且温度调节范围为20℃～350℃。
3、根据权利要求1所述的温度调控一维光子晶体产生动态光子晶体的方法，其特征在于：所述的多层膜结构一维光子晶体由二氧化硅(SiO2)和折射率对温度变化相对敏感的另一种膜层材料交替制备而成。
4、根据权利要求3所述的温度调控一维光子晶体产生动态光子晶体的方法，其特征在于：所述的折射率对温度变化相对敏感的膜层材料为二氧化钛(TlO2)、或氧化锆(ZrO2)、或氧化铝(Al2O3)、或一氧化镁(MgO)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |