光子晶體的分類及研究進展

光子晶體的分類及研究進展

一、光子晶體的制備技術(shù)1987年，yab瀘州和約翰霍姆提出了光緒礦的概念。在光帶（pbg）的周期性電介結(jié)構(gòu)中，有光帶的特征，有時也被稱為pbg光緒結(jié)構(gòu)。光子晶體最基本的特征是其能帶結(jié)構(gòu)中可能存在著類似于半導體能帶中的禁帶,即光子帶隙,頻率落在光子帶隙內(nèi)的電磁波不能在光子晶體中傳播。由于光子晶體具有可以控制光傳播方向的特性,使其在傳感器、光通信、光器件等諸多方面具有巨大的科學價值和應用潛力。自然界里發(fā)現(xiàn)的天然光子晶體不少,如蛋白石(opal)、寶石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海老鼠毛等。人工制備光子晶體主要有三種方法:微機械法、全息照相光刻蝕法、膠體粒子自組裝法。其中膠體粒子自組裝法是一種簡單、快速、廉價的化學制備方法。光子晶體的制備技術(shù)大致可分為微電子制備技術(shù)、自組裝技術(shù)和層層疊加技術(shù)。迄今為止,已有多種基于光子晶體的全新光子學器件被相繼提出,包括無閾值的激光器、無損耗的反射鏡和彎曲光路、高品質(zhì)因子的光學微腔、低驅(qū)動能量的非線性開關和放大器、波長分辨率極高而體積極小的超棱鏡、具有色散補償作用的光子晶體光纖以及提高效率的發(fā)光二極管等。光子晶體在光子晶體光纖、光子晶體激光器、光子晶體波導、高性能反射鏡、光子晶體光開關、光放大、濾波器、偏振器等眾多領域有著廣闊的應用前景。光子晶體的出現(xiàn)使光子晶體信息處理技術(shù)的“全光子化”和光子技術(shù)的微型化與集成化成為可能,它可能在未來導致信息技術(shù)的一次革命,其影響可能與當年半導體技術(shù)相提并論。二、在的維數(shù)中各維度中各光子晶體的劃分按照光子晶體的光子禁帶在空間中所存在的維數(shù),可以將其分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體。表1光子晶體的幾何結(jié)構(gòu)分類與光學性質(zhì)。1、多孔硅微腔傳感器中的應用一維光子晶體是介質(zhì)只在一個方向上呈現(xiàn)周期性排列的結(jié)構(gòu),可由兩種正負折射率介質(zhì)、正折射率介質(zhì)或金屬一電介質(zhì)等構(gòu)成。一維光子晶體的結(jié)構(gòu)簡單、制作簡便,制備方法有溶膠一凝膠技術(shù)、分子束外延技術(shù)、真空鍍膜技術(shù)等。(1)一維PBG生物傳感器光子晶體中PBG結(jié)構(gòu)的光學性質(zhì)使得光子晶體對于環(huán)境折射率的變化相當敏感,適合于制備傳感器,利用多孔硅技術(shù)可以制備一維PBG生物傳感器。隨著多孔硅技術(shù)的出現(xiàn),人們發(fā)現(xiàn)了多孔硅光子晶體,即多孔硅折射率發(fā)生周期性變化的光子晶體。近年來多孔硅光子晶體已經(jīng)實現(xiàn)了生物大分子、氣體、液態(tài)農(nóng)藥和酒精的測定。李志全等研制了一種基于多孔硅微腔光學特性的氣體傳感器,當有機物吸附于多孔硅表面時,引起多孔硅層有效折射率變化,使得多孔硅微腔反射光譜吸收峰位移變化,實現(xiàn)了有機物種類的檢測。(2)全息傳感器全息傳感器中形成全息敏感元件的全息記錄材料是一種不溶性的聚合物薄膜,全息記錄材料是通過原位聚合反應將一種或多種可溶性的鹽類分散入基體中生成一種不溶性的敏感性沉淀物,從而記錄全息圖。Davidson等基于體積全息圖發(fā)明了一種全息化學傳感器,其特征就是分析物敏感膜具有可處理其體積變化的光學傳感結(jié)構(gòu)。由于傳感器的這種物理結(jié)構(gòu),傳感器產(chǎn)生的光學信號對發(fā)生在分析物敏感基體中的體積變化和結(jié)構(gòu)重組相當敏感,其敏感機理是基體與分析物相互作用或相互反應。包括葡萄糖全息傳感器,金屬離子全息傳感器,pH敏感全息傳感器,濕度全息傳感器。(3)其它傳感器將全息干涉技術(shù)與改進的高聚物分散液晶系統(tǒng)結(jié)合,Shi等制備了基于多孔聚合物光子晶體的濕度傳感器。由于PC的多孔區(qū)吸收水分子,而無孔區(qū)不吸收水分子,則兩區(qū)折射率不同,因此通過比較PC結(jié)構(gòu)中多孔與無孔區(qū)的折射率變化來測定環(huán)境的相對濕度。一維光子晶體傳感器在液體測量方面得到了廣泛的應用研究,因具有靈敏度高、電絕緣性好、抗電磁干擾能力強、防爆、遠距離在線監(jiān)測、傳感單元結(jié)構(gòu)簡單等特點,光子晶體傳感器特別適宜在惡劣和危險環(huán)境下測量,是液體傳感器的研究熱點之一。2、光子晶體檢測二維光子晶體一般為一種介電常數(shù)的圓或方形介質(zhì)柱在另一種介電常數(shù)的介質(zhì)中呈二維周期排列。二維光子晶體可以方便地引入缺陷,實現(xiàn)與光源、波導、光纖、光探測器等光學元件的連接。如光子晶體平板波導和光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber,PCF)。如今,二維光子晶體,即半導體的薄片堆層應用在很多領域,如利用全內(nèi)反射將光限制在晶體中而產(chǎn)生光子晶體效應及控制光的色散。世界上有很多研究圍繞在利用光子晶體制作計算機芯片以提高計算機的運行速度。雖然這項技術(shù)還遠沒有達到商業(yè)應用,二維光子晶體已經(jīng)被應用在光纖上。2005年美國的研究人員成功地使用兩種新式二維光子晶體,將光的群速度降低了超過一百倍。這項裝置未來可望被應用于各種光學系統(tǒng)及元件中,其中包括高功率、低閾值的光子晶體激光。二維光子晶體制備的方法很多,如低溫下在SiXFY氣氛中用電子回旋加速共振(ElectronCyclotronResonance,ECR)腐蝕法、刻蝕掩膜版法和激光全息技術(shù)。二維光子晶體傳感器包括二維PBG生物傳感器、光子晶體光纖傳感器、光子晶體波導傳感器等。Lee等通過理論和實驗研究了具有生物分子識別性能的基于二維光子晶體微腔的無標記生物傳感器。Chakravarty等制備了以GaAs為基質(zhì)的二維光子晶體微腔的光學離子傳感器。Hasek等制備了一種基于亞太赫茲頻段的二維光子晶體波導的流體傳感器。光子晶體由聚苯乙烯塊上的一系列高度密集的空氣孔有序排列而成,通過減小其中一排空氣孔的孔徑形成波導。3、光子晶體傳感器三維光子晶體是由兩種介質(zhì)在空間兩個維度上交替排列而成的周期性結(jié)構(gòu),其在布里淵區(qū)邊界各個方向的頻率帶隙重疊,能產(chǎn)生完全的光子帶隙。自1991年Yablonovitch等利用機械打孔的方法制備第一塊三維光子晶體以來,人們開始研究了更多的制備方法,如逐層疊加法、膠體自組裝法、模板法、各種刻蝕和制版技術(shù)以及四束非共面紫外激光全息干涉等。包括凝膠光子晶體傳感器、反蛋白石凝膠光子晶體傳感器、分子印跡光子晶體傳感器。Sharma等在聚丙烯酰胺水凝膠(PolyacrylamideGel,PAG)表面鍵合上肌氨酸酐水解酶和2一硝基苯酚,作為肌氨酸酐的兩個識別基團,制備了肌氨酸酐凝膠光子晶體傳感器。反蛋白石水凝膠傳感器在化學和生物傳感方面形成了一個新的結(jié)合點,Lee等基于聚苯乙烯(PS)微球為模板制備了可調(diào)的反蛋白石凝膠pH傳感器。Wu等以SiO2膠體晶體微球為模板,向模板間隙填充以莠去凈(Atrazine)為模板分子,甲基丙烯酸(MAA)為功能單體,EDMA為交聯(lián)劑的分子印跡聚合物材料,通過HF酸刻蝕去SiO2模板,乙酸/甲醇除去Atrazine分子得到Atrazine分子印跡光子晶體傳感器。由于制作上的難度,三維晶體的研究遠遠落后于二維晶體,即使在半導體工業(yè)中也沒有可以借鑒的方法來制造三維光子晶體。最近,一些科研組發(fā)展出一些有效的方法,不少樣品被制作出來。例如,通過層層堆積方法制造出木料堆結(jié)構(gòu)。又如,利用自組裝方法──讓大小均一的納米尺寸微球通過自組裝形成三維規(guī)則結(jié)構(gòu)。光子晶體體積非常小,在新的納米技術(shù)中、光計算機、芯片等領域有廣泛的應用前景。使用光子晶體制造的光子晶體光纖,也有比傳統(tǒng)光纖更好的傳輸特性,可以進而應用到通信、生物等諸多前沿和交叉領域。(4)未來的技術(shù)難點目前光子晶體傳感器需要突破的難點有:(1)如何提高不同尺寸單分散顆粒制備的可重復性,制備高質(zhì)量無缺陷的光子晶體模板,提高凝膠光子晶體的質(zhì)量;(2)如何提高光子晶體傳感器的重復使用性、靈敏度、選擇性、抗干擾和快速響應能力;(3)有待制備種類更多的光子晶體生物傳感器以擴大其應用面。三、使用金屬晶傳感器1、光子晶體檢測光子晶體的傳感器模型國內(nèi)已經(jīng)有學者在進行研究。其基本原理是基于光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)。那么組成光子晶體的材料的介電性質(zhì)及其空間排列方式?jīng)Q定了光子晶體的光傳播性能。對于一維光子晶體而言,當承受載荷時,引起光子晶體的形變,進而導致其光子帶隙性能的改變,從而可以進行載荷的測量。利用光子晶體帶隙隨壓力變化的特點,可以制作壓力傳感器,傳感器的靈敏度和測量范圍受光子晶體的材料特性、檢測系統(tǒng)的光譜分辨力的影響。側(cè)向加壓時,要使傳感器具有高的靈敏度和大的測量范圍,應該選擇彈性模量和泊松比相等的材料構(gòu)成光子晶體,采用彈性模量小的材料可提高探測靈敏度。光子晶體壓力傳感器體積小、重量輕,結(jié)合光纖傳輸,該傳感器將在工業(yè)和軍事上得到廣泛應用。光子晶體壓力傳感器在風壓測量中的應用。利用電磁場理論,推導發(fā)現(xiàn)了壓力與一維光子晶體光帶隙邊界之間存在線性對應關系。這個結(jié)果提供了設計壓力傳感器或者通過施加壓力而調(diào)制光帶隙性能的可能性。利用數(shù)值模型計算了空氣流過圓柱體的壓力分布,并預言光子晶體壓力傳感器的響應。這種壓力傳感器的主要優(yōu)點是直觀、不影響流場分布、不需要導線等,可廣泛應用于建筑物、汽車、飛行器的風壓測量。(2)反射波傳感器的微傳感機制對于測量溫度時,如果選擇對外界環(huán)境量變化敏感的材料構(gòu)成光子晶體,外界溫度的變化將引起晶格常數(shù)a和介質(zhì)的等效折射率neff發(fā)生微變化,反射譜峰值將產(chǎn)生微小位移。這種傳感器有兩個新的傳感機制:溫度變化時,空氣孔折射率的改變遠小于硅的折射率改變,熱光效應將導致光纖橫截面折射率變化的不一致;由于硅和空氣孔的折射率相差很大,所以重點放在橫截面的幾何結(jié)構(gòu)變化上。如果在光子晶體中引入較大的缺陷.會由于F—P效應導致反射光譜峰發(fā)生規(guī)則的分裂,譜線寬度明顯變窄,出現(xiàn)更精細的譜線結(jié)構(gòu),那么測量的結(jié)果就更加準確。(3)光子晶體檢測通過衍射峰的位置變化來定量表征生物分子的相互作用為生物傳感提供了一個思路。發(fā)展以光子晶體薄膜作為固相基底材料的免疫分析技術(shù),可望實時、有效、準確地檢測抗原一抗體、酶一底物等的相互作用,這在免疫分析、修復術(shù)組織工程以及藥物釋放體系的應用中具有相當重要的意義。光子晶體的應用比較廣泛,在制作光子器件方面有巨大潛力。近年來,化學及生物傳感器技術(shù)發(fā)展的主要方向是“裸眼檢測技術(shù)”,光子晶體的獨特的孔結(jié)構(gòu)和光學性能為化學和生物傳感器裸眼檢測技術(shù)提供了新的可能。光子晶體傳感器主要利用了光子晶體能夠產(chǎn)生布拉格衍射的性質(zhì),功能化的光子晶體在吸收目標化合物后其晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,從而會引起結(jié)構(gòu)色的改變,這便是光子晶體傳感器的檢測原理,其應用涉及對生化物質(zhì)、毒劑、金屬離子及環(huán)境污染物等的檢測。與臨床相關的生化物質(zhì)的檢測是傳感器技術(shù)的研究熱點。光子晶體有望取代復雜昂貴的電化學和酶生物傳感器,為體液中同特定疾病相關的指征物質(zhì)的檢測提供一個快速和簡便的檢測方法。毒劑的檢測需要滿足實時和現(xiàn)場兩方面的要求,可變色的光子晶體在這方面的應用前景要優(yōu)于傳統(tǒng)的電化學傳感器。還有水溶液中離子的檢測、pH傳感器、氣體傳感器、溫敏傳感器、濕度及蒸汽傳感器、壓力傳感器等。2、光子晶體光纖檢測光子晶體光纖(PhotonicCrystalFiber,PCF),也稱為微結(jié)構(gòu)光纖(MicrostructureFiber)或者多孔光纖(HolyFiber)。根據(jù)其導光機制的不同,一般可分為兩種:全內(nèi)反射(TIR)型光子晶體光纖、PBG型光子晶體光纖。PCF的出現(xiàn),使光電子技術(shù)進入了一個新的發(fā)展階段。由于PCF具有新穎的結(jié)構(gòu)和獨特的光學特性,使它在超微光子集成電路和超大容量光導纖維以及光孤子產(chǎn)生和傳輸?shù)确矫嬗兄薮蟮臐撛谑袌?。PCF的潛在應用還包括超寬色散補償,短波長光孤子傳輸/發(fā)生,光纖傳感、極短波長的偏振保持光纖,光子晶體天線、光學集成電路、超短脈沖激光器/放大器和光開關。當摻進非線性介質(zhì)時,還可望用于光開關、光限幅、光雙穩(wěn)和光倍頻等等,通過設計更加復雜的結(jié)構(gòu)和使用不同的材料,還會發(fā)現(xiàn)更多的用途。可以預言,光子晶體光纖是有巨大潛力的產(chǎn)業(yè)。PCF傳感器包括吸收型PCF傳感器、熒光型PCF傳感器、干涉型PCF傳感器、PCF光柵傳感器。在傳感器中的應用:壓力傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器,摻雜的微結(jié)構(gòu)聚合物等。PCF的應用在很多方面改善了傳統(tǒng)光纖傳感器的性能?；赑CF的光纖傳感器對應力和液體折射率具有較高的傳感精度以及更好的溫度特性,并且可以靈活引入各種耦合結(jié)構(gòu)單元組成干涉儀,基于光纖布拉格光柵(FiberBraggGrating,FBG)、長周期光柵(LongPeriodGrating,LPG)和干涉儀的PCF傳感器.PCF傳感器的優(yōu)良性能使其具有很好的實用前景。PCF傳感器不僅具有傳統(tǒng)光纖傳感器的優(yōu)點,精度高、傳感范圍大和抗外界干擾(傳感信息波長編碼)等,還改善了傳統(tǒng)光纖傳感器溫度交叉敏感、多參量傳感、實時傳感和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的不足。如純石英PCF傳感器同時具備高的傳感精度和環(huán)境溫度不敏感特性,在大型建筑和礦井的健康監(jiān)測領域具有很好的實用前景。在化工、食品和飲料生產(chǎn)過程中,折射率傳感是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。一些生化反應和化學反應也往往伴隨著折射率的變化,通過折射率的精確傳感可以控制反應的進程。實時傳感折射率PCF傳感器的出現(xiàn)使這些方面的應用很可能成為現(xiàn)實。隨著PCF制作工藝的成熟,PCF傳感器的應用性研究會更加廣泛并最終成為商品走進實驗室和生產(chǎn)領域。PCF傳感器今后的發(fā)展重點將是網(wǎng)絡化、集成化、全光纖化以及新傳感機理和方案的探索。隨著光纖制造技術(shù)的不斷發(fā)展,PCF的特性會不斷地在傳感技術(shù)中得到開發(fā)、應用。3、pcf-lpg生物傳感應用作為一種新穎的傳感技術(shù),長周期光纖光柵(LongPeriodFiberGrating,LPFG)生物及化學傳感不僅促進了生物及化學的迅猛發(fā)展,而且在環(huán)境污染檢測、工業(yè)安全生產(chǎn)、精確質(zhì)量控制,生物醫(yī)學診斷等起到積極的作用。2006年LarsRindorf等通過在PCF空氣孔中注入生物大分子,然后通過測量生物分子的厚度變化引起LPG的諧振波長漂移變化,從而實現(xiàn)了PCF-LPG在生物傳感領域的應用。在LPFG生物傳感應用方面,D.W.Kim等利用LPFG研究測試抗兔IgG和抗羊IgG的特性吸附。國內(nèi)的莊其仁等利用LPFG制作了可用于血液抗原的生物檢測傳感器。JianYang等首次提出利用LPFG制作DNA探針。最近LPFG傳感器的研究,主要是在LPFG包層外鍍一層隨外界環(huán)境變化折射率發(fā)生變化的敏感薄膜層。StephenW.James等通過在LPFG的包層上面鍍一層折射率隨外界環(huán)境變化而變化的薄膜,研究了包層表面所鍍薄膜厚度對LPFG透射譜的影響。最近MingHan等研究了在LPFG表面鍍一超薄等離子體自組裝多層膜,并且證明這種技術(shù)可以應用到全分布式生物化學傳感領域。2006年LarsRindorf等過在PCF-LPG中注入甲醇,來測量PCF-LPFG的折射率傳感特性。2007年C.Kerbage等將液體