非密堆积TiO2空心微球光子晶体的制备与能带分析

利用胶体自组装、高温烧结和HF酸刻蚀技术,制备了SiO₂微球非密堆积面心立方(FCC)结构的胶体晶体,并以此为模板,利用溶胶凝胶方法和NaOH湿法刻蚀技术制备了TiO₂空心微球非密堆积FCC结构光子晶体.利用电子显微镜分析了晶体的结构,用平面波展开法对该结构进行了能带计算与分析.计算结果表明,制备的TiO₂空心微球非密堆积FCC结构光子晶体在低能区的第二、第三能带之间除布里渊区的W点仍保持简并外,其余各点简并都已经消除. 关键词： 空心微球 非密堆积 光子晶体 光子带隙     

FCC结构胶体光子晶体的制备及其带隙特性测量

基于对光纤传输特性和胶体光子晶体制备方法的研究,提出了用外加电场控制的方法制备光子带隙位于通讯波段的FCC结构的胶体光子晶体,并用光纤系统测试胶体光子晶体的带隙特性.采用RSOFT模拟了胶体光子晶体的带隙,分析了带隙位于通讯波段时所需的胶体微球的基本参量(微球折射率和直径).采用自组装的方法,用步进电机控制玻璃基片向上的拉升速率.速率为5 μm/s,同时外加一电场.用扫描电镜观测胶体晶体的表面形貌,并设计了单模光纤系统测量胶体光子晶体的带隙特性.测试的透射谱线表明胶体光子晶体的带隙中心波长为1552 nm.测试结果和模拟结果具有很好的一致性,误差只有2 nm.     

光纤表面自组装胶体晶体微结构的实验研究

利用自组装方法在普通单模光纤裸纤表面生长胶体晶体,采用自组装方法制备了一种新型的三维光子晶体微结构光纤。将单分散度小于2％的二氧化硅胶体微球超声分散于乙醇溶液,通过垂直沉积法在表面经湿法腐蚀处理的裸光纤表面组装胶体晶体。采用SEM对样品进行表征,胶体样品表面为六角密排列,晶体呈FCC结构,其（111）晶面平行于光纤表面。当微球直径远小于光纤直径时,在60℃温度下制备的胶体样品有较好的质量。     

一种胶体光子晶体修饰的光纤

设计了一种胶体光子晶体修饰的光纤. 采用恒温快速蒸发法直接在经切割刀处理后的光纤端面生长胶体晶体,再与另一根切割后的光纤在毛细玻璃管中完成对接,制备成胶体光子晶体修饰的光纤. 用扫描电子显微镜和光谱分析仪对样品的形貌、结构以及光学特性进行分析. 实验结果表明,粒径为640 nm、体积分数约为0.5%的SiO₂胶体微球溶液在60 ℃的情况下沉积,大约12 h后可得到质量较高的胶体光子晶体. 在SEM下,观察到端面的胶体晶体为面心立方(fcc)结构. 透射光谱证明,该结构在(111)面上     

基于光纤-胶体晶体的液体折射率传感实验研究

制备了胶体晶体,并利用胶体晶体的光子带隙对折射率传感进行了实验研究。从理论上分析了胶体晶体光子带隙中心波长的变化与折射率的关系。通过设计模具制备了胶体晶体-光纤结构,用扫描电镜对胶体晶体的表面进行了观察,并测量了胶体晶体的光子带隙的位置。结果表明胶体晶体的光子带隙的测试结果与理论分析相一致。设计了实验装置,利用光纤间的耦合对胶体晶体的光子带隙的变化进行了测试和分析。结果表明SiO2胶体晶体光子带隙的中心波长为1445.5nm,且在不同折射率液体环境下,其中心波长发生移动,能够形成新的传感机理。对胶体晶体在液体传感上的应用进行了探索。     

非密堆积TiO2空心微球光子晶体的制备与能带分析

利用胶体自组装、高温烧结和HF酸刻蚀技术,制备了SiO2微球非密堆积面心立方(FCC)结构的胶体晶体,并以此为模板,利用溶胶凝胶方法和NaOH湿法刻蚀技术制备了TiO2空心微球非密堆积FCC结构光子晶体.利用电子显微镜分析了晶体的结构,用平面波展开法对该结构进行了能带计算与分析.计算结果表明,制备的TiO2空心微球非密堆积FCC结构光子晶体在低能区的第二、第三能带之间除布里渊区的W点仍保持简并外,其余各点简并都已经消除.     

高质量胶体晶体薄膜的快速制备及表征

通过控制温度和湿度，用垂直沉积法（vertical deposition method）快速制备出了可精确控制样品的厚度、在较大范围呈现好的有序性的密排结构的聚苯乙烯（PS）胶体晶体 薄膜.利用透射电子显微镜直观准确地确定了样品为面心（fcc）密排结构.通过控制样品干燥速度和加温处理，胶体颗粒排列更加有序,并且克服了胶体晶体干燥后易碎和在水等溶 剂中容易再分散等缺点，为胶体晶体实际应用创造了条件. 关键词： 胶体晶体薄膜 垂直沉积法 面心密排结构 再分散     

圆柱形蛋白石和反蛋白石结构光子晶体的制备及其光学性质

研究了在圆柱曲面基底上自组装空心和实心的圆柱形蛋白石和反蛋白石结构光子晶体的方法. 用垂直沉积法在不同曲率半径的毛细管内自组装了空心圆柱形聚苯乙烯(PS)蛋白石结构光子晶体薄膜和二氧化硅 (SiO₂) 反蛋白石结构薄膜; 用类重力沉积法制得实心圆柱形蛋白石和反蛋白石结构光子晶体, 并讨论了这一生长方式中的状态变化过程及影响因素. 用扫描电子显微镜对样品内部结构进行了表征, 用光谱仪测试了光子晶体薄膜的反射光谱, 结果表明: 基底曲率半径和微球粒径的大小是影响空心蛋白石和反蛋白石薄膜质量的主要因素; 微球大小是影响实心结构有序性的主要因素. 关键词： 反蛋白石 空心圆柱 溶胶凝胶协同自组装     

面缺陷对三维胶体晶体光学性质的影响

利用化学自组装方法和旋涂技术,成功地将二氧化硅(SiO2)微球体植入聚苯乙烯微球组成的蛋白石中,获得了嵌有面缺陷的三维胶体晶体.经SiO2渗透后,煅烧除去聚苯乙烯微球,获得了反相结构的光子晶体.胶体球粒直径增大时,无论晶体中有无缺陷态的存在,蛋白石及其反相结构透射谱中峰的位置发生红移,反之则产生蓝移.在胶体球粒直径一定时,对于降低折射率的缺陷,其透射谱峰中缺陷态的位置发生红移;对于增加折射率的缺陷,其透射谱峰中缺陷态的位置发生蓝移.透射谱还与缺陷层的厚度等因素有关.     

一种新型的多包层光子晶体光纤的分析方法

传统有效折射率方法只能模拟具有相同空气孔大小的单包层光子晶体光纤.针对这一问题,提出了一种改进的有效折射率法,能够计算具有不同孔径的多包层光子晶体光纤的传输特性.并用此方法对三包层光子晶体光纤的基模有效折射率和色散等特性进行了数值模拟,结果与多极法模拟出的结果符合得很好.这种改进的有效折射率法拓展了传统有效折射率法的适用范围,对快速准确地分析和设计具有不同传输特性的多包层光子晶体光纤提供了理论依据. 关键词： 光子晶体光纤 多包层 有效折射率方法 色散     

准完全带隙胶体非晶光子晶体

三维面心立方结构的固有的高对称性使其只具备非完全光子带隙,而非晶结构可降低对称性导致准完全光子带隙的出现.实验结果表明非晶胶状晶体具有准完全光子带隙.非晶胶状光子晶体中的光子带隙的禁带宽度与波长均不随光入射到样品池的角度的变化而明显变化.其禁带宽度比SiO₂小球面心单晶的禁带宽度宽得多 关键词： 光子带隙 非晶 光谱     

Mid infrared band gap properties of 3-dimensional silicon inverse opal photonic crystal

By the solvent vaporization convection self-assembly method, 1.86 μm silica microspheres were assembled into a colloidal crystal template with long-range order. High refractive index silicon was then filled in the voids of the silica template by the low pressure chemical vapor deposition method. A 3-dimensional silicon inverse opal photonic crystal was obtained with a photonic band gap simulated by a plane wave expansion method. Its micro modality and photonic band gap properties were characterized by scanning electron microscopy and Fourier transform IR spectrometer. There was a good agreement between the measured spectra and the simulated results. The tilt-angle reflectance spectra showed that an obvious reflection peak at 3319 nm stayed in existence with different incidence directions. This result proved that silicon inverse opal has a complete photonic band gap in the mid infrared range. This study opens up an opportunity to create Si-based photonic crystal devices for atmosphere mid infrared photodetection.     

一维函数光子晶体的研究

本文提出一种新型函数光子晶体, 其折射率是空间位置函数. 由费马原理, 我们给出光在一维、 二维和三维函数光子晶体中的运动方程, 以及一维函数光子晶体的色散关系、 带隙结构和透射率, 再利用传输矩阵理论研究函数光子晶体周期数、 入射角和介质层的厚度等对透射率和禁带结构的影响, 计算发现通过选择不同的折射率空间分布函数, 可以得到比传统光子晶体更宽或更窄的禁带结构. 这样为我们设计不同带隙结构的光子晶体提供理论依据.     

低温等离子体增强化学气相沉积法制备Ge反opal三维光子晶体及其光学性能

通过溶剂蒸发对流自组装法制备SiO2三维有序胶体晶体模板,采用等离子体增强化学气相沉积法在200℃低温条件下填充高折射率材料Ge,获得了Ge反opal三维光子晶体.实现了低于GeH4热分解温度的低温填充.通过扫描电镜、X射线衍射仪和傅里叶变换显微红外光谱仪对Ge反opal的形貌、成分和光学性能进行了表征.结果表明:沉积得到无定型态Ge,退火后形成多晶Ge,Ge在SiO2微球空隙内填充致密均匀.Ge反opal的反射光谱有明显的光学反射峰,表现出光子带隙效应,其带隙中心波长为1650nm和2640nm,测试的光学性能与理论计算基本符合.采用SU-8光刻胶薄膜也进行了Ge沉积,证实了SU-8模板可以耐受这一沉积温度.低温沉积降低了Ge的填充温度,可以直接采用不耐高温的高分子材料作为初始模板,单次复型制备得到多种构型的完全带隙三维光子晶体.     

实现全反射镜功能的光子晶体禁带特性

用传输矩阵法研究一维光子晶体G(AB)mC(AB)mH的能带特性及电场分布,结果发现:随着m的增大,在830—883nm波长范围内,光子晶体G(AB)mC(AB)mH禁带中的导带透射率逐渐趋于零,即光被禁止通过,实现全反射镜功能,且随着入射角的增大,光子晶体的禁带逐渐向短波方向移动。随着介质层G、H的折射率增大,光子晶体在833.6—879.1nm波长范围内出现大的禁带,亦实现全反射镜功能。光子晶体G(AB)5C(AB)5H内部存在很强的局域电场,即在光子晶体内传输的光,被强烈局域在禁带范围内,并在缺陷层C处达到极大值,而且随着m的增大,局域强度增强。这些光学传输特性,为研究、设计新型光学器件全反射镜、滤波器等提供指导。     

光折变材料的带隙结构研究

利用光子晶体的概念和时域有限差分方法计算了当光折变材料的空间折射率呈一维正弦变化时其内部的带隙结构情况,表明在光折变材料中存在极窄的光子带隙。最后讨论了折射率(n)、折射率调制幅度(△n)、周期长度(D)及周期数(N)对光子带隙的影响。     

低压化学气相沉积技术制备锗反蛋白石三维光子晶体

采用溶剂蒸发对流自组装法将单分散SiO2微球组装形成三维有序胶体晶体模板,用低压化学气相沉积法填充高折射率材料锗,酸洗去除SiO2模板,获得了锗反蛋白石三维光子晶体.通过扫描电镜、X射线衍射仪和紫外-可见-近红外光谱仪对锗反蛋白石的形貌、成分、结构和光学性能进行了表征.结果表明：锗在SiO2微球空隙内具有较高的结晶质量,填充致密均匀.通过改变沉积工艺,可控制锗的填充率;制备的锗反蛋白三维光子晶体具有明显的光学反射峰,表现出光学带隙效应.测试的光学性能与理论计算基本吻合.     

Dispersion of light in opal photonic crystal

The selective reflection spectra of films prepared from the photonic crystal, i.e., synthetic opal, are investigated. It is revealed that the refractive index changes at the boundaries of the photonic band gap. The wave vector is renormalized as a result of the interaction of the light wave with the periodic structure of the crystal, and the dependence of the frequency on the photon wave vector deviates from a linear behavior. The band gap determined from these data is approximately equal to 1.7 × 10¹⁴ Hz.     

渐变折射率光量子阱对束缚态能级的调整

在对称的均匀电介质材料光子晶体体系中插入另一折射率渐变的光子晶体可构成光量子阱结构.利用时域有限差分法计算了不同折射率分布光量子阱结构的传输谱.研究表明：束缚态是对处于垒光子晶体禁带中的阱光子晶体导通带的离散化,束缚态能级个数等于阱光子晶体结构单元的重复周期数；以渐变方式调整阱区折射率分布,可在特定频率范围内得到新的互不交叠的束缚态.这样在有限的禁带区域可以成倍增加光子束缚态而无需增大光量子阱结构的尺寸,使信道密度最大化、光波有效带宽的使用最优化.这种量子阱结构可用于制作超窄带滤波器和多通道窄带滤波器,有望在光通信超密集波分复用和光学精密测量技术中获得广泛应用. 关键词： 光量子阱 光子束缚态 渐变折射率 光子晶体     

中红外完全带隙Si反蛋白石光子晶体的制备与光学性能研究

通过溶剂蒸发对流自组装法制备SiO2胶体晶体,采用低压化学气相沉积法填充Si,制备得到Si反蛋白石(opal)三维光子晶体.采用扫描电子显微镜对Si反opal的显微形貌进行表征,采用平面波展开法理论模拟Si反opal的光子带隙,采用傅里叶变换红外光谱仪测试其光学性能.研究结果表明:Si在SiO2微球空隙内填充致密均匀,显微红外光谱测试的光子带隙反射峰位置及带宽与理论计算基本符合.变角度反射光谱测试表明,Si反opal沿不同角度入射时在中心波长3319nm处均存在明显的反射峰,证明其具有完全光子带隙,带隙位于中红外大气窗口区域.