光子晶體中的反常折射現象論文
光子晶體中的反常折射現象論文
【摘 要】 光子晶體指具有光子帶隙特性的人造周期性電介結構。
光子晶體的特殊性質具有很大的潛在應用前景，近些年，光子晶體成為了熱門的研究課題。
光子晶體在通信中的應用給人們帶來了光子晶體光纖，隨著人們對通信速度和容量要求的不斷提高，傳統電子器件已經很難滿足用戶需求，光子晶體光纖有著更高的信息容量、更快的反映速度、更強的互連能力。
光子晶體的廣泛應用給各個領域和行業都帶來了巨大改變。
光子晶體還能夠實現慢波、自聚焦等，未來光子晶體廣泛應用已經成為必然趨勢。
反常折射是光子晶體的重要特性之一。
本文將針對光子晶體中的反常折射現象展開討論分析。
【關鍵詞】光子晶體;反常折射;折射原理
引言
光子晶體研究一直受到社會各界的關注，自一九九六年以來就先后有大量光子晶體相關發明被研究成功，例如：光子晶體直角導波、光子晶體反射鏡子、光子晶體光纖、光子晶體超棱鏡、光子晶體激光器、光子晶體天線等等。
很多研究成果被列為《科學》雜志十大研究中。
一九九九年美國MIT研制出了第一臺光子晶體反射鏡，這種反射鏡在特定的波長范圍內具有全反射功能，利用這種技術制造的光子晶體光纖，理論上可以實現無損耗遠距離傳輸。
近些年對光子晶體反常折射現象的研究越來越多，光子晶體的反常折射在器件設計領域有著很好的應用前景。
一、光子晶體概述
光子晶體雖然是一個新詞，但實際上人們對光子晶體的研究很早就開始了。
光子晶體雖然是人工制造，但實際上原型源自自然界，自然界中同樣存在這種物質。
例如：自然形成的蛋白石，這種由二氧化硅納米球沉積形成的礦物，具有豐富的顏色。
但這種石頭豐富的色彩卻和色素沒有任何關系，而是因它自身幾何結構上周期性使它具有了光子能帶結構，所以在不同反射光下便會隨之變化顏色，與光子晶體有著類似的結構。
光子晶體的特點是：具有周期性結構;具有相空間壓縮性能;具有結構周期性;具有禁帶特性。
光子晶體一九八七年正式被提出，光子晶體是人工排列而成的人工微結構，從材料結構上來看光子晶體是屬于周期性介電結構的人工晶體。
光子晶體與半導體晶格對電子函數的調制十分類似，但光子晶體具有更好的長波選擇功能。
光子晶體的研究開始于對自然現象的假設與研究。
科學家們假設光子具有類似于電子在晶體中傳播的規律，并在此基礎上展開了研究。
從光子晶體結構圖上可以看出晶體內部周期性有序排列，正是這種周期勢場的存在使運動電子受到周期勢場的布拉格散射從而形成能帶結構，但帶與帶之間可能存在帶隙傳播過程中，能量落在帶隙中就無法傳播。
光子晶體的結構類似于晶格節點周期性離子。
隨著對光子晶體研究不斷深入，很多科學家都針對光子晶體的應用進行了研究。
目前光子晶體多被應用于光子學器件上，除了在光子器建方面的應用外，在通信和信息方面的應用，掀起信息技術發展的新的浪潮。
二、光子晶體中的反常折射現象
近些年，很多科學家針對光子晶體中的反常折射現象展開了研究，一些科學家通過研究發現了光子晶體中存在反常折射。
實驗中光在進入晶體發生折射時，折射光不是偏向于法線方向，而是偏向界面方面。
這一實驗證明了光子晶體中的反常折射現象的存在。
另有科學家證明光子晶體中折射光甚至與入射光位于界面發線方向同一側，出現負折射率。
這些實驗說明在光頻率范圍內，光子晶體折射率小于一，甚至小于零。
光子晶體的反常折射的現象原理分析可以通過分析頻率曲線來完成。
光在光子晶體傳播過程中頻率曲線決定著光子晶體布洛赫模群速度及方向，從而決定光如何在光子晶體內部如何進行折射。
通過以上分析不難看出，光子晶體頻率曲線與能帶分布都影響著折射效應。
從色散曲線能帶分布情況便可判斷負折射效應頻率范圍處于光子晶體禁帶區附近。
色散曲線對應的頻率曲線具有負有效光子質量，并且隨著頻率的不斷的增加，布洛赫模群速度方向都會產生負向偏折。
首次合成光子晶體反常折射介質的是Smith等人。
在研究中應用了Pendry理論，實驗通過金屬線和金屬環實現，雖然實驗成功但實際上金屬材料固有的吸收特性，在某種程度上也大大的限制了反常折射在短長波方面的應用效果，所以當時并沒有得到推廣和應用。
想要取得更好的效果降低短波損耗，必須使用一些其他的材料代替金屬實現反常折射效應。
這一實驗為后期光子晶體反常折射研究奠定了基礎。
經過不斷的發展，光子晶體已經發展出了：一維光子晶體、二維光子晶體、三維。
目前一維光子晶體制備技術已經逐漸成熟起來，但對反常折射的特性控制技術卻還很少。
雖然三維光子晶體的性能幾乎包括了其他類型的所有特征，但是制備問題一直沒有得到很好的解決，所以未來的光子晶體應用的主流還會暫時停留在二維光子晶體上。
三、結束語
光子晶體是一種新型的材料，光子晶體反常折射現象也展現出了很大的潛在應用前景。
如果利用光子晶體反常折射現象制作超透鏡，在光子晶體反常折射現象下的超透鏡，突破了傳統衍射極限，成像分辨率將大大被提高，從而實現“完美成像”光子晶體的廣泛推廣和應用具有重要意義。
【參考文獻】
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