光子晶體
關注創建者：Smanu_20 創建時間：2017-01-12
光子晶體的視頻教程
004 - COMSOL一維光子晶體微腔（含講解視頻）
004 - COMSOL一維光子晶體微腔（含講解，66元） ? 基本介紹： ·? 主要內容：重復碩士論文《一維光子晶體波導與微腔的控光特性及傳感應用研究（作者：楊玉潔）》中的圖3-2b、圖3-4a； ·??基于COMSOL頻域求解，使用的軟件版本為COMSOL 5.3 (5.3.0.223)； ·??計算所需的內存：8 GB；高精度需要128 GB； ·??涉及的內容：在App開發器中錄制和編寫模型方法
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019 - FDTD光子晶體微腔（含演示，66元）
包含的文件截圖（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 詳細描述（手機端可能無法顯示圖片，請在電腦端查看）： 如上圖所示，研究平板空氣孔二維光子晶體的L3微腔。 眾所周知，光子晶體微腔具有很高的Q值，本文通過優化微腔周圍三個空氣孔的位置，能進一步將Q值提高了20倍，實現了高達1000000的Q值。
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005 - FDTD一維光子晶體微腔（含講解視頻）
005 - FDTD一維光子晶體微腔（含講解，66元） ? 基本介紹： ·? 主要內容：重復碩士論文《一維光子晶體波導與微腔的控光特性及傳感應用研究（作者：楊玉潔）》中的圖3-2b、圖3-4a； ·??基于Lumerical FDTD Solution求解，使用的軟件版本為Lumerical 2016a； ·??計算所需的內存：8 GB； ·??涉及的內容：在structure group
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光子晶體的實例教程
光子晶體是一類通過不同折射率介質周期性的排列而形成的具有光波長量級的周期性人工微型結構，相比于傳統晶體來說，由于介電函數的周期性分布，光子晶體也會產生一些類似于傳統晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無法傳播。我們在完整的光子晶體陣列中引入線缺陷可以構造出光子晶體波導，光子波導由于傳播低損耗和體積小等優點廣泛應用于器件之后，在未來光通信領域有很大的前景。光子晶體在實際制備過程中由于不可避免的無序效應而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學器件的性能，但是在光子器件、隨機激光器、太陽能電池等應用領域有著廣泛的應用前景。因此，研究無序光子晶體結構中光傳輸特性，實現對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應調控，這無論在理論上還是應用上都具有非常深遠的意義。
當光機晶體波導里面有缺陷時，通過介質傳播的波會經歷多次散射。當波長大于散射中心的大小時，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態下，波傳播是一個擴散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴散常數ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴散常數ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現象被稱為安德森局域化。光子晶體在制作過程中難免會出現結構的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結構無序，結構無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導具有引人注目的光傳輸性質。
在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結構采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時在線缺陷兩端設計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當量子點。
展開 光子晶體(PhotonicCrystals)是一類由介質周期性排列構成的光學結構，其顯著特征是具有光子禁帶（Photonic Bandgap, PBG），特定波長的光在光子禁帶內不能夠傳播。由于光子禁帶的存在，光子晶體具有出色的光子操控性能。除此之外，光子晶體還具有慢光效應、光子局域、超棱鏡效應、負折射效應、自準直效應、拓撲光子態等物理特性。這個特性被用來制備光波導，光開關，濾波器，低閾值激光等高性能的光學器件。未來可望開發成光子計算機和光子傳感器，被用于量子傳感和量子計算等領域。此外，多孔結構的光子晶體也被廣泛應用于超材料、隱身材料、光學傳感、環境以及儲能等領域。因此，光子晶體引起了科學界的廣泛興趣，1998年和1999年，與光子晶體相關的研究兩度被《Science》評為當年世界上“十大科學進展”，同時也被《Science》預測為未來六大研究熱點之一。2006年，《Science》又再一次將光子晶體評為未來的自然科學領域熱點。
圖1.(a)光刻法制備的多晶硅光子晶體; (b)全息光刻法制備的聚合物光子晶體；(c)激光直寫法制備三維光子晶體;膠體自組裝制備(d)金剛石機構光子晶體;(e)蛋白（澳寶）石結構光子晶體; (f)反蛋白（澳寶）石結構光子晶體.
然而，如何高效率制備高品質光子晶體是其廣泛應用的一大挑戰。常用的方法有“自上而下”的半導體加工的方法以及“自下而上”的膠體自組裝方法。“自上而下”方法雖然可以控制其結構以達到極少的缺陷，但是通常難以實現復雜光子晶體結構，且成本非常高（圖1a-c）。因此，科學家通常探索采用成本較低，操作簡便的“自下而上”的膠體自組裝方法制備復雜的光子晶體（圖1d-f）。
展開 摘要 以光子晶體光纖環為研究對象，利用白光干涉儀測試了不同溫度下保偏光子晶體光纖環和普通保偏光纖環內部的偏振交叉耦合強度分布，分析了光纖環中固定耦合點不同溫度下的偏振耦合強度變化。結果表明，在 -40 ℃~50 ℃的溫度條件下，保偏光子晶體光纖環偏振耦合強度最大變化率為0.97%；普通保偏光纖環偏振耦合強度的變化率為4.71%，約為保偏光子晶體光纖環的5倍。實驗研究證明，光子晶體光纖環的偏振交叉耦合強度溫度穩定性高于普通保偏光纖環的偏振交叉耦合強度的溫度穩定性。
關鍵詞 相干光學；溫度特性；白光干涉法；偏振耦合強度；光子晶體光纖環
1 引 言
近年來，由于光子晶體光纖（PCF）具有高雙折射、溫度穩定性好、抗輻射能力強等諸多優于傳統光纖的優點，其在光纖傳感領域尤其是光纖陀螺上的應用已經逐步成為研究熱點，并引起了國內外眾多研究機構的高度重視。
偏振誤差是陀螺中主要的非互易相位誤差，光纖環中的偏振交叉耦合情況是引起偏振誤差的因素之一，其穩定性影響陀螺的精度和長期穩定性。近幾年，各研究單位分別對保偏光纖環偏振耦合強度的溫度穩定性、雙折射色散對偏振耦合強度的影響
等進行了研究。在光子晶體光纖方面，北京航空航天大學的Ma等測試了全溫條件下雙折射的溫度特性。目前，對于光子晶體光纖環內偏振交叉耦合強度的溫度穩定
性研究尚未見報道。
本文利用白光干涉儀（OCDP）對采用四極對稱繞法繞制的光子晶體光纖環和普通保偏光纖環在不同溫度下的偏振交叉耦合分布進行了實驗研究。
2 測量原理
基于白光干涉儀的白光干涉法（一種光學相干域的偏振測試技術）可實現光纖環對稱性的分析、光纖環內部偏振交叉耦合的分布測量[。白光干涉儀(OCDP)采用白光干涉原理，其系統結構如圖1所示。
展開 光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產生的光子帶隙結構，具有調控光傳播的作用。當可見光通過光子晶體時，特定頻率的光會受到光子帶隙的調制，導致部分可見光不能通過該材料直接被反射，從而使光子晶體產生特定的結構色。結構色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結構從而展現出鮮艷的結構色。
將光子晶體與聚合物彈性體結合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學傳感器等領域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時又避免不同觀測角度帶來的色彩不一致的問題仍然是該領域的一大挑戰。針對上述問題，華中科技大學化學與化工學院朱錦濤、張連斌團隊設計制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無角度依賴結構色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機械損傷以及不同觀測角度色彩不一致的局限。相關成果近期發表在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
圖 1基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無角度依賴的結構色彩。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復合，通過噴涂或快速溶劑揮發的方法誘導二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結構的光子晶體材料，該材料展現出鮮艷的結構色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調控其結構色彩。該材料還表現出無角度依賴的結構色，即從不同的角度觀察其顏色不發生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結構色可發生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復到之前的結構色，因此可用于可視化應力傳感領域。
展開 江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的制備及應用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內部的梯度的溶劑去浸潤過程實現了驅動現象，光子晶體膜發生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅動性能較差，很難滿足應用需求。隨后通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中并隨后進行光聚合，制備了具有連續彎曲/去彎曲行為的溶劑響應驅動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
近期，理化所光子晶體驅動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師范大學教授陳波合作，通過梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導致其化學組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結構色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅動行為可以通過薄膜的化學組成、孔洞大小及溶劑種類來調節。通過COMSOL模擬了樣品的定向驅動性能，并利用單個薄膜（尺寸12mm *3mm* 20 μm）吸水后的驅動行為實現了單根機械軸的運動（圖2）。該研究工作為發展新型光子晶體的光學器件提供了借鑒。
圖2.
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光子晶體的最新內容
與 STACK 求解器不同，RCWA 求解器適用于具有層幾何形狀周期性變化的結構，例如光子晶體和衍射光柵。由于仿真時間通常遠短于 FDTD，RCWA 求解器是分析這類周期性結構的理想工具。
RCWA 方法原理
RCWA 方法是一種用于求解多層結構中麥克斯韋方程的半解析技術。在該方法中，結構沿傳播方向被劃分為一系列均勻的層。
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復雜陣列非周期排列在規則網格中，需要晶格復制來實現。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內部孔和中心孔形成復雜的形狀。
什么是波導？2個月前
片上波導可能有多種幾何結構，包括肋形、條形、微帶、負載型、倒肋和光子晶體等。
光子晶體光纖
光子晶體是光波導的一個新興領域，因為它們的行為與其它波導不同。其中，光不是通過波導的折射率來引導，而是通過光子晶體的結構圖案來引導，因為光不能穿過晶體本身。晶體的光子帶隙會阻擋光的某些波長，類似于半導體中的電子帶隙。光子晶體實際上是“光學半導體”。
探索熱輻射—紅外發射率測量儀3個月前
環境穩定工作，1.86kg輕量化機身，續航2.5小時
【典型應用】
? 防火材料檢測：實時監測配方調整對耐火性能的影響，預警溫度退變
? 隱身涂層評估：新能源電池/艦船涂層的厚度/性能退變分析
? 交通標識維護：定期檢測反光性能衰退，保障道路安全
【適用行業】
? 航空航天 | 節能建材 | 隱身偽裝 | 半導體制造 | 太陽能光伏
? 復合材料 | 光子晶體
光學限制由刻蝕在頂部反射鏡上的光子晶體圖案提供，腔體由光子晶體圖案中缺失的孔定義，如圖1所示，這種“缺陷”設計恰是光學耦合的關鍵。
圖1雙腔離子注入六邊形光子晶體刻蝕后的光學圖像
電約束則通過離子注入實現，其在空間上限定了雙增益區。器件左右兩側設置獨立電接觸，可分別控制注入每個腔體的電流。
與傳統的光提取增強技術（如納米結構陣列、光子晶體等）相比，本研究提出的層厚度優化策略具有明顯優勢。首先，該方法基于平面結構，無需復雜的納米加工工藝，成本更低且易于規模化生產；其次，平面結構的器件穩定性更高，避免了納米結構可能帶來的界面缺陷和可靠性問題。
4.2近紅外PeLED的應用場景展望
近紅外PeLED在諸多領域展現出廣闊的應用前景。
a)一維拓撲光子晶體的介質AB層和結構組成。晶格的單元胞，周期為Λ，寬度為D1和D2，長度為D3。b)一維拓撲光子晶體的模擬能帶圖，顯示最低（黑色）和次低（紅色）能帶。插圖展示了能帶邊緣的交換模式分布，表明當翻轉晶格時，在光子帶隙（淡紫色區域）出現了能帶反轉。c)次低能帶和d)最低能帶的群折射率與波長隨D1和D2變化的色散關系。e)電光速度匹配的慢光MZMs調制器示意圖。
可計算衍射效率、近場分布、偏振特性等參數，支持全息光柵、光子晶體等定制特性分析與優化。用戶可導入測量數據或自定義高度輪廓，靈活設計光柵結構，實現高效精準的光學系統設計。
光波導解決方案
軟件提供光波導解決方案，可以自動生成衍射光波導初始模型，提供k空間可視化，足跡分析，衍射效率優化和PSF&MTF分析等功能。
因此，如今它被廣泛用于例如：表面等離子體觀察、光子晶體成像等。借助VirtualLab Fusion，可以對完整的傅立葉顯微鏡系統進行建模，并將其用于單分子成像。具體來說，我們演示了幾種物理光學效應的影響，包括每個光學界面的菲涅爾損耗和透鏡孔徑的衍射。
