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光学波段光子晶体及低阈值激射研究
光学波段光子晶体及低阈值激射研究
光子晶体作为一种新型的光学材料，由于其具有周期性结构、光子禁带、高品质因子等特性而备受关注。尤其是在低阈值激射领域，光子晶体拥有较大的激射增益，可以实现低阈值激射，成为研究热点。本文将从光子晶体基础知识、光子晶体激射的原理及应用等方面进行论述。
一、光子晶体基础知识
1.光子晶体的定义及构造
光子晶体，是一种具有周期性介电常数分布的材料，其周期性结构可以在纳米尺度上变化。在电磁波中，介电常数代表了材料对电磁波的响应能力。光子晶体中，介电常数分布的周期性结构影响了电磁波的传播和衍射规律，产生光子禁带，并对光子的能量、动量、极化等产生调制作用。光子晶体的基本单元是光子晶胞，由互相连接的介质柱或球构成。
2.光子禁带和品质因子
光子禁带是指光子在光子晶体中的能量被禁止传播的区域，是光子晶体最重要的特性之一。光子禁带出现的条件是空间中介电常数的周期性变化的周期与入射光波长相当。当光子晶体中的光源发射的光子波长在光子禁带范围内时，光子会被禁止传播，从而产生反射和衍射。在光子禁带范围之外，光子能够自由传播。
品质因子是光子晶体中产生光子禁带的品质，表示了光子能够在光子晶体中被存储的时间与能损失的比值。品质因子越高，光子禁带中的光子能较长时间内被存储，因此受到更少的能量损失，品质因子越低，光子禁带中的光子能较快地被损失，由此影响光子晶体的应用效果。
3.光子晶体的应用
光子晶体具有广泛的应用领域，如光电器件、传感器、非线性效应、激光器等。其中，最为流行的应用是激光器。
二、光子晶体激射的原理
1.光子晶体激射的发展历程
早在1991年，Yablonovitch提出了光子晶体激射的概念，但当时还没有能够实现光子晶体的制备。几年后，随着纳米加工技术的发展，人们开始使用大量的基于GaAs材料的光子晶体，并实现了第一代低阈值激射器。之后，人们不断地尝试各种新型光子晶体结构，例如二维光子晶体和三维光子晶体等，用于开发新型低阈值激射器、光放大器和衍射限制器等光电子器件。
2.光子晶体激射的原理
光子晶体激射的原理是通过在一定波长的光子禁带中，将外来能量通过电子态的激发发射电子来达到激光的目的。激光器需要光源、反射镜或其他反射性的材料、激光介质和激励源。光子晶体激射器不同于常规的激光器，它利用光子晶体中的禁带、非线性光学、量子限制等效应来突破经典的光子离散化现象，产生内在的光子相互作用，从而实现低阈值激射。
在光子晶体激射器中，光子禁带起到了重要的作用。当激发电子到达与光子禁带内特定区域时，它们会进入光子禁带中，而光子禁带会阻碍电子衰减进入低能量态。这样，激发电子将激发纵向和横向模式，并产生能量的集中，从而产生光子激发效应，达到激光输出的目的。
三、光子晶体激射器的应用
1.波导激射器
波导激射器是一种在光子晶体内局部修改介电常数而形成的激光器。制造这种激光器需要精确控制球部分的直径和排列，这些球体只是裸露在光芯内的混沌阵。波导激射器可以实现低阈值激射，且输出稳定，适用于光通信和光纤通信等领域。
2.平面膜激射器
平面膜激射器主要是利用平面膜中的光电子波导结构来产生激射器效应。平面膜激射器具有极低的损耗和噪声，并能够在多种波长范围内产生单色激射。因此，适用于光通信、量子通信、生物医学、光子计算、雷达和气体传感器等领域。
3.量子点光子晶体激射器
量子点是指尺寸一般小于10nm的半导体晶粒，由于其小尺寸特性，具有很强的量子限制效应，因此其能带结构也与普通半导体晶体不同。通过在光子晶体中导入量子点，可以实现更高效的光子晶体激射，光子激发效应显著提高，并在生物医学、光电子学、激光雷达等领域得到广泛应用。
结语
光子晶体激射器日益得到广泛应用，光子晶体激射的原理和应用也正在不断创新。未来，随着纳米加工技术的不断提高，以及光子晶体在光学器件中的应用不断推进，光子晶体激射器将在光通信、生物医学、光子计算、激光雷达等领域有着更广泛的应用前景。