浅析光子晶体中的反常折射现象

【摘 要】 光子晶体指具有光子带隙特性的人造周期性电介结构。光子晶体的特殊性质具有很大的潜在应用前景，近些年，光子晶体成为了热门的研究课题。光子晶体在通信中的应用给人们带来了光子晶体光纤，随着人们对通信速度和容量要求的不断提高，传统电子器件已经很难满足用户需求，光子晶体光纤有着更高的信息容量、更快的反映速度、更强的互连能力。光子晶体的广泛应用给各个领域和行业都带来了巨大改变。光子晶体还能够实现慢波、自聚焦等，未来光子晶体广泛应用已经成为必然趋势。反常折射是光子晶体的重要特性之一。本文将针对光子晶体中的反常折射现象展开讨论分析。

【关键词】光子晶体；反常折射；折射原理

引言

光子晶体研究一直受到社会各界的关注，自一九九六年以来就先后有大量光子晶体相关发明被研究成功，例如：光子晶体直角导波、光子晶体反射镜子、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜、光子晶体激光器、光子晶体天线等等。很多研究成果被列为《科学》杂志十大研究中。一九九九年美国MIT研制出了第一台光子晶体反射镜，这种反射镜在特定的波长范围内具有全反射功能，利用这种技术制造的光子晶体光纤，理论上可以实现无损耗远距离传输。近些年对光子晶体反常折射现象的研究越来越多，光子晶体的反常折射在器件设计领域有着很好的应用前景。

一、光子晶体概述

光子晶体虽然是一个新词，但实际上人们对光子晶体的研究很早就开始了。光子晶体虽然是人工制造，但实际上原型源自自然界，自然界中同样存在这种物质。例如：自然形成的蛋白石，这种由二氧化硅纳米球沉积形成的矿物，具有丰富的颜色。但这种石头丰富的色彩却和色素没有任何关系，而是因它自身几何结构上周期性使它具有了光子能带结构，所以在不同反射光下便会随之变化颜色，与光子晶体有着类似的结构。光子晶体的特点是：具有周期性结构；具有相空间压缩性能；具有结构周期性；具有禁带特性。光子晶体一九八七年正式被提出，光子晶体是人工排列而成的人工微结构，从材料结构上来看光子晶体是属于周期性介电结构的人工晶体。光子晶体与半导体晶格对电子函数的调制十分类似，但光子晶体具有更好的长波选择功能。光子晶体的研究开始于对自然现象的假设与研究。科学家们假设光子具有类似于电子在晶体中传播的规律，并在此基础上展开了研究。从光子晶体结构图上可以看出晶体内部周期性有序排列，正是这种周期势场的存在使运动电子受到周期势场的布拉格散射从而形成能带结构，但带与带之间可能存在带隙传播过程中，能量落在带隙中就无法传播。光子晶体的结构类似于晶格节点周期性离子。随着对光子晶体研究不断深入，很多科学家都针对光子晶体的应用进行了研究。目前光子晶体多被应用于光子学器件上，除了在光子器建方面的应用外，在通信和信息方面的应用，掀起信息技术发展的新的浪潮。

二、光子晶体中的反常折射现象

近些年，很多科学家针对光子晶体中的反常折射现象展开了研究，一些科学家通过研究发现了光子晶体中存在反常折射。实验中光在进入晶体发生折射时，折射光不是偏向于法线方向，而是偏向界面方面。这一实验证明了光子晶体中的反常折射现象的存在。另有科学家证明光子晶体中折射光甚至与入射光位于界面发线方向同一侧，出现负折射率。这些实验说明在光频率范围内，光子晶体折射率小于一，甚至小于零。

光子晶体的反常折射的现象原理分析可以通过分析频率曲线来完成。光在光子晶体传播过程中频率曲线决定着光子晶体布洛赫模群速度及方向，从而决定光如何在光子晶体内部如何进行折射。通过以上分析不难看出，光子晶体频率曲线与能带分布都影响着折射效应。从色散曲线能带分布情况便可判断负折射效应频率范围处于光子晶体禁带区附近。色散曲线对应的频率曲线具有负有效光子质量，并且随着频率的不断的增加，布洛赫模群速度方向都会产生负向偏折。首次合成光子晶体反常折射介质的是Smith等人。在研究中应用了Pendry理论，实验通过金属线和金属环实现，虽然实验成功但实际上金属材料固有的吸收特性，在某种程度上也大大的限制了反常折射在短长波方面的应用效果，所以当时并没有得到推广和应用。想要取得更好的效果降低短波损耗，必须使用一些其他的材料代替金属实现反常折射效应。这一实验为后期光子晶体反常折射研究奠定了基础。经过不断的发展，光子晶体已经发展出了：一维光子晶体、二维光子晶体、三维。目前一维光子晶体制备技术已经逐渐成熟起来，但对反常折射的特性控制技术却还很少。虽然三维光子晶体的性能几乎包括了其他类型的所有特征，但是制备问题一直没有得到很好的解决，所以未来的光子晶体应用的主流还会暂时停留在二维光子晶体上。

三、结束语

光子晶体是一种新型的材料，光子晶体反常折射现象也展现出了很大的潜在应用前景。如果利用光子晶体反常折射现象制作超透镜，在光子晶体反常折射现象下的超透镜，突破了传统衍射极限，成像分辨率将大大被提高，从而实现“完美成像”光子晶体的广泛推广和应用具有重要意义。

【参考文献】

[1]周墨菁.光子晶体及其负折射现象理论与特性研究[J].湖北职业技术经济管理学院，2012，14（12）：119-124

[2]李志搏.一维光子晶体反常折射的数值分析[J].浙江经济管理学院，2011，11（14）：132-136

[3]王慧丽.含负折射率材料一维光子晶体光学特性的研究[J].湖北科学技术学院，2012，09（02）：122-133

【作者简介】

任顺佳（1991.06.28-）男，汉，贵州省兴仁县人，现读于贵州工程应用技术学院，应用物理学专业，学士学位、研究方向：大学物理学中某个物理问题、现象等的探究及其运用。

（作者单位：贵州工程应用技术学院）