超快速可调谐有机非线性光子晶体_饶毓泰基础光学二等奖介绍

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1、 物 理 37卷 (2008年 ) 4期 http: PPwww. wuli. ac. cn超 快 速 可 调 谐 有 机 非 线 性 光 子 晶 体 3 饶 毓 泰 基 础 光 学 二 等 奖 介 绍胡 小 永 江 萍 杨 宏 龚 旗 煌(北 京 大 学 物 理 系 人 工 微 结 构 和 介 观 物 理 国 家 重 点 实 验 室 北 京 100871)摘 要 光 子 晶 体 是 一 种 新 型 的 光 子 学 材 料 ,具 有 独 特 的 光 子 带 隙 特 性 ,能 有 效 地 控 制 光 子 的 传 输 状 态 . 可 调 谐 光子 晶 体 的 光 子 带 隙 的 位 置 和 宽 度

2、 能 够 随 着 外 部 参 数 的 变 化 而 改 变 ,是 实 现 集 成 光 子 器 件 的 重 要 基 础 . 文 章 介 绍 了 基于 有 机 共 轭 聚 合 物 材 料 的 非 线 性 光 子 晶 体 的 超 快 速 可 调 谐 特 性 .关 键 词 光 子 晶 体 ,非 线 性 光 学 ,聚 苯 乙 烯 ,超 快 速 时 间 响 应The Rao Yutai 2nd class aw ard for fundam ental op tics U ltrafasttunable organic nonlinear photonic crystalsHU Xiao2Yong J IA

3、NG Ping YANG Hong GONG Q i2Huang( S tate Key Laboratory forM esoscopic Physics, D epartm ent of Physics, Peking U niversity, B eijing 100871, China )Abstract A s a novel photonic material, photonic crystals possess unique photonic bandgap p roperties and canmanipulate the p ropagation of photons. Tu

4、nable photonic crystals, the position and width of whose bandgap varywith the external parameters, are important elements for integrated photonic devices. W e report on the develop2ment of ultrafast tunable organic photonic crystals based on the excellent op tical nonlinearity of organic conjugatedp

5、olymers.Keywords photonic crystal, nonlinear op tics, Polystyrene, ultrafast response time3 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (批 准 号 : 2007CB307001)、 国 家 自然 科 学 基 金 (批 准 号 : 10574007, 10521002, 10434020)资 助 项 目2008 - 03 - 07收 到 通 讯 联 系 人 . Email: xiaoyonghupku. edu. cn1 光 子 晶 体光 子 晶 体 是 由 两 种 或 者 两 种 以 上 的 介

6、电 材 料 在空 间 周 期 性 排 列 所 形 成 的 一 种 新 型 的 光 子 学 材 料 .光 子 晶 体 的 概 念 是 由 Yablonovith 1 和 John 2 在1987年 提 出 来 的 ,他 们 指 出 ,介 电 函 数 在 空 间 周 期性 变 化 的 材 料 能 够 调 制 电 磁 波 的 传 输 状 态 和 模 式 .对 于 半 导 体 材 料 ,当 电 子 在 其 中 传 播 时 ,由 于 受 到 原子 周 期 性 排 列 所 形 成 的 周 期 性 势 场 的 调 制 作 用 而 出现 导 带 和 禁 带 . 类 似 地 ,对 于 介 电 函 数 在 空 间

7、 周 期 性变 化 的 材 料 ,当 电 磁 波 在 其 中 传 播 时 ,周 期 性 介 电 函数 对 电 磁 波 的 调 制 作 用 同 样 会 产 生 导 带 和 禁 带 . 光子 晶 体 的 禁 带 又 称 为 光 子 带 隙 ( photonic bandgap,PBG). 利 用 光 子 晶 体 的 光 子 带 隙 特 性 ,能 够 实 现 对电 磁 波 的 传 输 状 态 进 行 人 工 操 控 .如 果 入 射 电 磁 波 的 频 率 落 入 光 子 带 隙 内 ,由 于光 子 晶 体 的 强 烈 的 布 拉 格 散 射 效 应 ,电 磁 波 将 被 光子 晶 体 全 部 反

8、射 回 来 而 不 能 在 光 子 晶 体 中 传 播 . 光子 晶 体 的 光 子 带 隙 出 现 在 布 里 渊 区 的 边 界 上 ,它 不仅 与 光 子 的 能 量 有 关 ,还 与 光 子 的 传 播 方 向 有 关 . 如果 光 子 晶 体 在 空 间 的 所 有 传 播 方 向 上 都 有 带 隙 ,并且 每 个 方 向 上 的 带 隙 都 能 相 互 重 叠 ,则 称 这 种 光 子晶 体 是 完 全 带 隙 光 子 晶 体 . 如 果 光 子 晶 体 只 在 特 定的 传 播 方 向 上 具 有 带 隙 ,则 称 之 为 不 完 全 带 隙 光 子晶 体 . 半 导 体 材

9、料 的 缺 陷 和 掺 杂 特 性 会 影 响 其 能 带332光 学 前 沿 专 题http: PPwww. wuli. ac. cn 物 理 37卷 (2008年 ) 4期结 构 . 向 纯 净 的 半 导 体 材 料 中 掺 入 少 量 杂 质 ,会 在 禁带 中 出 现 相 应 的 缺 陷 能 级 . 类 似 地 ,可 以 在 光 子 晶 体中 引 入 缺 陷 ,缺 陷 的 引 入 同 样 会 在 光 子 带 隙 中 产 生相 应 的 缺 陷 态 ,从 而 影 响 光 子 晶 体 的 能 带 结 构 . 当 缺陷 是 由 引 入 额 外 的 高 介 电 材 料 所 致 时 ,其 特 性

10、 就 类似 于 半 导 体 掺 杂 中 的 施 主 原 子 ,缺 陷 能 级 将 起 始 于空 气 带 (即 高 频 带 ,又 称 短 波 带 )的 底 部 ,并 且 随 着缺 陷 尺 寸 的 增 大 而 移 向 介 电 带 (即 低 频 带 ,又 称 长波 带 ) ;当 缺 陷 是 由 移 去 部 分 的 高 介 电 材 料 所 致 时 ,其 特 性 就 类 似 于 半 导 体 掺 杂 中 的 受 主 原 子 ,缺 陷 能级 将 起 始 于 介 电 带 的 顶 部 ,并 且 随 着 缺 陷 尺 寸 的 增大 而 移 向 空 气 带 3 .光 子 晶 体 按 照 空 间 周 期 性 可 以 分

11、 为 一 维 光 子 晶体 、 二 维 光 子 晶 体 和 三 维 光 子 晶 体 . 光 子 晶 体 的 晶 格尺 寸 必 须 与 光 波 的 波 长 相 当 . 广 泛 应 用 的 布 拉 格 多层 介 质 膜 结 构 就 是 一 种 一 维 光 子 晶 体 . 对 于 二 维 和三 维 光 子 晶 体 ,要 获 得 光 电 子 工 业 所 需 的 可 见 光 和近 红 外 波 段 的 光 子 带 隙 ,晶 格 常 数 必 须 在 微 米 、 亚 微米 的 量 级 . 二 维 光 子 晶 体 的 制 备 主 要 采 用 聚 焦 粒 子束 刻 蚀 、 电 子 束 刻 蚀 等 微 加 工 技

12、术 来 实 现 4 ,除 此之 外 ,人 们 还 发 展 了 纳 米 压 印 和 多 光 束 干 涉 等 技 术来 制 备 二 维 光 子 晶 体 5, 6 . 三 维 光 子 晶 体 的 制 备 方法 主 要 有 :胶 体 颗 粒 的 自 组 织 生 长 法 7 、 激 光 全 息法 8 和 激 光 直 写 法 9 等 等 .2 可 调 谐 光 子 晶 体光 子 带 隙 是 由 空 间 周 期 性 变 化 的 介 电 函 数 对 入射 电 磁 波 的 调 制 作 用 而 产 生 的 . 基 于 光 子 带 隙 对 空间 周 期 性 介 电 函 数 的 依 赖 关 系 , Figotin等 人

13、 于 1998年 提 出 了 可 调 谐 光 子 晶 体 的 概 念 10 . 如 果 光 子 带 隙的 位 置 和 宽 度 能 够 随 着 外 部 参 数 的 变 化 而 改 变 ,那么 这 种 光 子 晶 体 就 称 为 可 调 谐 光 子 晶 体 . 普 通 光 子晶 体 在 制 备 完 成 后 ,其 光 子 带 隙 的 位 置 和 宽 度 是 确定 的 . 而 可 调 谐 光 子 晶 体 的 光 子 带 隙 是 可 调 控 的 . 因此 ,可 调 谐 光 子 晶 体 不 仅 扩 展 了 光 子 晶 体 的 应 用 领域 ,而 且 还 成 为 发 展 新 型 光 子 学 器 件 的 重

14、要 基 础 .可 调 谐 光 子 晶 体 的 两 个 重 要 指 标 是 光 子 带 隙 的可 调 范 围 和 超 快 速 的 时 间 响 应 . 可 调 谐 光 子 晶 体 的实 现 ,主 要 是 以 三 阶 非 线 性 光 学 材 料 为 基 础 来 构 造非 线 性 光 子 晶 体 ,通 过 调 节 外 部 温 度 、 磁 场 、 电 场 或者 强 激 光 场 的 作 用 ,基 于 三 阶 非 线 性 光 学 效 应 使 材料 折 射 率 发 生 变 化 ,改 变 光 子 晶 体 的 周 期 性 介 电 分布 ,使 光 子 带 隙 的 位 置 和 宽 度 发 生 变 化 . 调 谐 方

15、法 可以 通 过 磁 场 来 调 节 铁 磁 材 料 11 ,通 过 电 场 (或 者 温度 )来 调 节 铁 电 材 料 12 、 液 晶 材 料 13, 14 或 者 半 导 体材 料 15, 16 ,使 这 些 材 料 的 折 射 率 随 外 部 磁 场 、 电 场(或 者 温 度 )的 变 化 而 改 变 ,从 而 实 现 可 调 谐 光 子 晶体 . 另 外 , Kim等 人 提 出 ,利 用 应 力 场 调 节 压 电 材 料 ,可 以 使 二 维 光 子 晶 体 的 晶 格 对 称 结 构 发 生 连 续 变化 ,也 可 以 实 现 光 子 带 隙 的 连 续 调 谐 17 .

16、L ima等 人则 利 用 表 面 声 波 调 节 一 维 光 子 晶 体 微 腔 ,使 其 谐 振模 式 发 生 改 变 ,实 现 了 对 光 子 晶 体 散 射 光 强 的 连 续控 制 18 .不 同 的 调 节 方 式 ,其 时 间 响 应 特 性 也 有 很 大 的差 别 . 以 温 度 调 节 方 式 来 实 现 可 调 谐 光 子 晶 体 时 ,光子 晶 体 的 时 间 响 应 只 有 秒 至 毫 秒 的 量 级 ,而 电 场 调节 的 方 式 可 以 实 现 微 秒 量 级 的 时 间 响 应 19, 20 . 利 用短 脉 冲 激 光 激 发 的 方 式 来 调 节 非 线 性 材 料 ,