[發(fā)明專(zhuān)利]多介質(zhì)耦合三維光子晶體及其設(shè)計(jì)制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110406205.6
• 申請(qǐng)日: 2011-12-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102520480A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李滌塵;梁慶宣;楊改;孫坤;田小永
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B6/122
• 分類(lèi)號(hào): G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 西安通大專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 王艾華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多介質(zhì)耦合三維光子晶體及其設(shè)計(jì)制造方法。具體是指同時(shí)包含兩種以上介質(zhì)材料的三維光子晶體。

背景技術(shù)

光子晶體是指介電常數(shù)(或折射率)在三維空間上呈三維排列的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。Yablornovitch和John在1987年分別研究抑制原子的自發(fā)輻射和光局域時(shí)獨(dú)立提出光子晶體的概念。與傳統(tǒng)的晶體材料類(lèi)似，當(dāng)介電常數(shù)在三維空間中受到調(diào)制時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)出與固態(tài)電子晶體相似的能帶結(jié)構(gòu)，能量處于帶隙之中的電磁波將不能在此結(jié)構(gòu)中傳播。當(dāng)工作的電磁波頻率在光波段時(shí)，習(xí)慣稱(chēng)之為光子晶體或光子帶隙結(jié)構(gòu)。當(dāng)工作的電磁波頻率處于微波頻段范圍時(shí)，習(xí)慣稱(chēng)之為電磁帶隙結(jié)構(gòu)。為研究方便，統(tǒng)一沿用“光子晶體”這一概念。

光子晶體最基本的特性是光子禁帶和光子局域。除此之外，研究人員還在光子晶體發(fā)現(xiàn)了慢波和超慢波傳輸及負(fù)折射現(xiàn)象。光子晶體的各種新型應(yīng)用都是基于光子晶體結(jié)構(gòu)本身的這些新穎奇特的性質(zhì)。反射鏡、光學(xué)波導(dǎo)和諧振腔是光子晶體應(yīng)用的幾個(gè)基本領(lǐng)域。由于光子晶體具有帶隙特性，因此通過(guò)合理設(shè)計(jì)就可以得到反射率接近100％的反射鏡。基于反射鏡的設(shè)計(jì)，很容易就可以獲得各種各樣高效率的濾波器(如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、極窄帶濾波器等)。從反射器出發(fā)，利用光子晶體中TE和TM極化的不同帶隙特點(diǎn)就可以獲得各種偏振器。通過(guò)在反射鏡設(shè)計(jì)中引入恰當(dāng)?shù)木€(xiàn)缺陷，就可以獲得優(yōu)異的光學(xué)波導(dǎo)。而通過(guò)在反射鏡設(shè)計(jì)中引入恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)缺陷，就可以獲得高品質(zhì)因子的諧振腔。對(duì)實(shí)現(xiàn)光子晶體的這些特性來(lái)說(shuō)，越寬的帶隙越有利于在更寬的范圍內(nèi)控制電磁波的傳輸。

光子晶體的帶隙可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)、填充率和高低介電比來(lái)控制。關(guān)于不同三維結(jié)構(gòu)，如木堆結(jié)構(gòu)、金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體已經(jīng)有不少研究報(bào)道。而Kirihara等的文章“通過(guò)改變電磁晶體的周期控制電磁波的傳輸”(Solid?State?Communications，124期，2002年，135-139頁(yè))研究了將金剛石結(jié)構(gòu)周期拉伸對(duì)光子晶體帶隙的影響，實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變光子晶體結(jié)構(gòu)的填充率來(lái)控制電磁帶隙，拉伸后得到了更寬帶隙的光子晶體。呂雪松等的文章“用微波介質(zhì)粉末制備毫米波電磁帶隙晶體”(Joural?of?American?Ceramics?Society，9期2009年，第371-378頁(yè))研究了不同介電常數(shù)微波介質(zhì)材料各自對(duì)電磁帶隙的影響。但是基于制造技術(shù)的限制，以上這些研究中光子晶體都是只包含高低介兩種介質(zhì)材料，同時(shí)包含兩種以上介質(zhì)材料的光子晶體至今沒(méi)有研究報(bào)道。這是由于三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加上同時(shí)包含的多種介質(zhì)材料在成型、干燥和燒結(jié)過(guò)程中的不一致性都使其制造非常困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種多介質(zhì)耦合三維光子晶體及其設(shè)計(jì)制造方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

多介質(zhì)耦合三維光子晶體中周期性包含了多種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料，所述光子晶體中包括周期性層疊和交叉兩種形式：

周期性層疊的多介質(zhì)耦合三維光子晶體是指：將三維光子晶體結(jié)構(gòu)平均分為兩部分或更多部分，在每一部分中分別填充不同介電常數(shù)的介質(zhì)，最后形成同時(shí)含有多種不同介電常數(shù)介質(zhì)的光子晶體；

周期性交叉的多介質(zhì)三維光子晶體是指：將具有周期性三維結(jié)構(gòu)的光子晶體中，第一層填充第一種介質(zhì)，第二層填充第二種介質(zhì)，第三層再填充第一種介質(zhì)，第四層再填充第二種介質(zhì)，以此類(lèi)推；或者是每一層中交叉填充不同介質(zhì)；或者兩種介質(zhì)相互嵌套填充形成多介質(zhì)光子晶體。

所述三維結(jié)構(gòu)包括三維柱狀金剛石結(jié)構(gòu)和球狀金剛石結(jié)構(gòu)以及金剛石結(jié)構(gòu)的衍生體，木堆結(jié)構(gòu)。

所用介質(zhì)材料包含所有陶瓷材料，液體材料和超低溫金屬材料；所述多介質(zhì)耦合是指陶瓷材料之間、液體材料之間或超低溫金屬材料之間多種不同介電常數(shù)的介質(zhì)各自耦合，或者是陶瓷材料、液體材料和超低溫金屬材料之間多種介質(zhì)相互耦合。

一種多介質(zhì)耦合三維光子晶體的制造方法，包括以下步驟：

首先根據(jù)電磁理論采用CAD軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和利用光固化快速成型制造樹(shù)脂模型，并制備陶瓷漿料或液體材料、超低溫金屬材料；

其次，采用多步注模法制備多介質(zhì)耦合三維光子晶體；

針對(duì)于周期性層疊的光子晶體，將注模用外殼進(jìn)行連通式設(shè)計(jì)，每種介質(zhì)材料對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)有一個(gè)注漿口和一個(gè)連通口，連通口的高度與對(duì)應(yīng)介質(zhì)所占結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)平行。將一種介質(zhì)漿料注模后，用橡皮泥封好注漿口和連通口，然后進(jìn)行第二種介質(zhì)的注模，以此類(lèi)推，最終得到多介質(zhì)三維光子晶體。