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.     

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.     

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.     

介质球掺杂导致的无序效应对光子晶体光学性能的影响

采用自组装法制备了聚苯乙烯(PS)微球三维光子晶体结构,通过在PS微球悬浮液中掺入不同浓度的二氧化硅大球,实现了光子晶体结构从有序向无序过程的转变。通过对这些样品的透射、反射进行测量和分析,发现无序效应对光子晶体的光子响应特性具有极大的影响,随着无序程度的增加,高频波段的透射率急剧下降,低频波段的法布里-珀罗振荡消失,光子带隙蓝移且逐渐消失;而在掺杂浓度为0.02%(质量分数)时,光子晶体带隙中心的最低透射率从10%下降到1%,且反射单峰随着探测角度的增大而分裂为双峰。这有助于基于介质球三维光子晶体沿Γ-L方向透射消光,促进其在新型光学器件领域的应用发展。     

二氧化硅蛋白石光子晶体中粒子重构对光学性质的影响

使用自组装法制备了蛋白石结构二氧化硅纳米球三维光子晶体,并对样品在150,300,450℃温度下进行了热处理.随热处理温度的升高,光子晶体禁带中心波长出现22.5 nm的蓝移,且禁带宽度变窄.对于在450℃热处理的样品,其测量的禁带中心波长为572.5 nm,与理论计算结果有较大差异.引起样品光学特性变化的原因是热处理...     

镧系氧化物光子晶体自组装与自发辐射调制

光子晶体是介电常数(折射率)随光波长大小周期性巨大变化的人工晶体。光子晶体的诞生使人类操控光子由梦想成为现实。光子晶体结构对置于光子晶体中的荧光客体自发辐射速率和荧光强度具有重要的调制作用。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似,光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时,由于存在布拉格散射而受到调制,电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。本文将在综述这一领域国际上的重要研究进展基础上,重点介绍本课题组在镧系氧化物三维晶体的自组装与光子带隙对稀土离子自发辐射调制方面的研究成果。     

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。     

共轭荧光分子光子晶体发光材料的可控制备与性能研究

利用自组装技术结合溶胶-凝胶法成功制备了高度有序且光子带隙可控的聚甲基丙烯酸甲酯蛋白石光子晶体样品,并对其表面形貌、透射光谱和发射光谱进行了表征,研究了光子带隙与微球直径、带隙位置与入射光角度之间的依赖关系。     

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.     

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.     

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     

一维光子晶体禁带的展宽

作为一维光子晶体的应用基础，一维光子晶体的禁带是研究的重点。通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性，讨论了影响带宽的因素。说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法，提出了在角域范围内对光子晶体进行叠加的方法，为设计制造一维光子晶体提供了一种行之有效的方法。分别对2个、3个和4个晶体的叠加进行了分析，最后计算了所设计的合成晶体的反射率。其中4个晶体的叠加，相对带宽达到57．52％，极大地展宽了一维光子晶体的禁带，从而证明利用角域的叠加来展宽一维光子晶体的禁带是非常有效的。     

Fabrication and optical properties of 3D composite photonic crystals of core-shell structures

Three-dimensional (3D) composite colloidal photonic crystals with SiO₂ core and ZnO shell were fabricated on borosilicate glass (BSG) substrate by a two-stage deposition method. Scanning electron microscopy (SEM) measurements show that both the pre-deposited SiO₂ and SiO₂/ZnO core-shell structures are oriented with their (1 1 1) axes parallel to the substrates. Optical measurement reveals that the periodic arrays exhibit a photonic band gap in the (1 1 1) direction. The optical properties of SiO₂/ZnO core-shell structures strongly depend on the size dispersions of colloidal spheres and the intrinsic defects in the sample.     

高质量三维光子晶体的制备及其透射谱研究

设计了简易的压强可控自组装实验装置,制备了由直径为260 nm的聚苯乙烯(PS)胶体球组成的面心立方光子晶体.分析了压强的变化对光子禁带(PBG)深度及光子带隙边缘(PBE)坡度的影响,确定了合适的压强生长环境(P=5999.5 Pa).利用该实验装置,还进行了光子晶体的小批量制备,一次性制得了三块光子晶体,并从不同角度对每一块光子晶体的透射谱及不同光子晶体的透射谱进行了测量.同一光子晶体不同位置透射谱的重合、同一批次制备的不同光子晶体透射谱的一致性及光子禁带两侧的Fabry-Pérot振荡等均说明:该装置制备的光子晶体在大区域、大面积上是高度有序、均一和平整的;利用该实验装置进行光子晶体的小批量制备是可行的.     

Photonic band structure of three-dimensional colloidal crystals with field-induced lattice structure transformation

By utilizing the electrorheological effect, three-dimensional colloidal crystals can be produced, whose lattice structure can be changed from the body-centered-tetragonal lattice to other lattices under the application of electric fields. This paper calculates photonic band structures of such crystals with lattice structure transformation, and demonstrates the existence of complete band gaps for some intermediate lattices. Thus, it becomes possible to use the electrorheological effect to achieve photonic crystals with desired photonic gap properties resulting from tunable structures.     

Observations of defect propagation in [100]-oriented opal-type photonic crystals

Charged colloidal suspensions have been used as experimental models for the study of crystal nucleation. Here we propose that the technique of template-assisted colloidal self-assembly can be used to visualize the effects of defect propagation in atomic crystal films produced using epitaxial growth. Templates with periodic line defects were used to grow [100]-oriented three-dimensional photonic crystals by means of the template-assisted colloidal self-assembly method, aided by capillary and gravitational forces. The defect propagation in the [100]-oriented photonic crystal was observed using scanning electron microscopy, both at the surface of the crystal and on cleaved facets. This method is useful in the understanding of defect propagation in the growth of colloidal films on templates - and the same approach may also prove useful for the understanding of atomic crystal growth on substrates with defects. Additionally, the deliberate incorporation of line defects may prove valuable as a way of introducing waveguide channels into three-dimensional photonic crystals.     

Photonic band gaps structure properties of two-dimensional function photonic crystals

The tunable two-dimensional photonic crystals band gap, absolute photonic band gap and semi-Dirac point are beneficial to designing the novel optical devices. In this paper, tunable photonic band gaps structure was realized by a new type two-dimensional function photonic crystals, which dielectric constants of medium columns are functions of space coordinates. However for the two-dimensional conventional photonic crystals the dielectric constant does not change with space coordinates. As the parameter adjustment, we found that the photonic band gaps structures are dielectric constant function coefficient, medium columns radius, dielectric constant function form period number and pump light intensity dependent, namely, the photonic band gaps position and width can be tuned. we also obtained absolute photonic band gaps and semi-Dirac point in the photonic band gaps structures of two-dimensional function photonic crystals. These results provide an important theoretical foundation for design novel optical devices.