[發明專利]支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體及設計方法和應用

有效

• 申請號: 201310625054.2
• 申請日: 2013-11-27
• 公開（公告）號: CN104678491B
• 公開（公告）日: 2018-11-09
• 發明（設計）人: 蔣尋涯;林旭林;張小剛;李偉;陳亮
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;復旦大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B27/00;G02F1/35;G01N21/41
• 代理公司: 上海光華專利事務所(普通合伙) 31219
• 代理人: 李儀萍

1.一種支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體，其特征在于：

具有由至少兩種材料形成的二維周期性折射率分布；且光子晶體色散空間內的某個能帶內存在平直的等頻線、且在平直等頻線所在頻率附近等頻線曲率隨頻率的變化率比真空中的變化率高至少50倍；其中，所述平直等頻線貫穿布里淵區，不是布里淵區內某一封閉等頻線的一部分。

2.一種支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體設計方法，其特征在于，所述支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體設計方法至少包括：

a)基于光子晶體的晶格類型、材料和結構參數來計算光子晶體的色散關系，以生成等頻圖，并確定能在同一個能帶內出現自準直點和位于布里淵區內部的van Hove奇異點的候選光子晶體，所述光子晶體的材料參數包括組成光子晶體的多種材料的折射率，所述光子晶體的結構參數包括組成光子晶體的多種材料的形狀和尺寸以及各個方向的晶格長度，所述位于布里淵區內部的van Hove奇異點的類型包括鞍點型van Hove奇異點、極大值點型van Hove奇異點和極小值點van Hove奇異點中的一種或多種；

b)調節所述候選光子晶體的各材料和結構參數，重新計算色散關系以生成等頻圖，并確定光子晶體關鍵參數，其中，所述光子晶體關鍵參數是指當其值改變時，能使得所述vanHove奇異點向所述自準直點靠近或遠離的光子晶體材料和/或結構參數；

c)基于所述自準直點附近的色散關系來確定自準直頻率敏感度γ在隨所述光子晶體關鍵參數的分布；

d)選擇所需的自準直頻率敏感度γ，根據所述自準直頻率敏感度γ隨光子晶體關鍵參數的分布來確定光子晶體關鍵參數的值和光子晶體其它結構和材料參數的值。

3.根據權利要求2所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體設計方法，其特征在于：基于光子晶體的晶格類型，材料和結構參數、并采用平面波展開法、FDTD法、有限元法中的一種，來計算光子晶體的色散關系。

4.根據權利要求2所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體設計方法，其特征在于，所述自準直頻率敏感度γ義為：

其中，κ代表等頻線曲率，ω代表等頻線的頻率，ω_sc是自準直點所在的頻率，k₁代表與平直等頻線平行的波矢分量，k₂代表與平直等頻線垂直的波矢分量，群速度常數c是真空中的光速，歸一化基底c/ω²代表真空中等頻線曲率κ隨頻率ω的變化率的絕對值。

5.一種基于權利要求1所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來調控光束衍射強度的方法，其特征在于，所述基于支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來調控光束衍射強度的方法至少包括以下步驟：

A)提供一塊支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體；

B)待調控的光束由所提供的光子晶體一側沿自準直方向入射到該光子晶體；

C)在所提供的光子晶體的另一側接收經過調控的光束。

6.根據權利要求5所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來調控光束衍射強度的方法，其特征還在于：光束在光子晶體內部傳播的衍射強度由等頻線曲率決定。

7.根據權利要求5所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來調控光束衍射強度的方法，其特征還在于：根據所述待調控光束的頻率和想要達到的衍射強度確定所述光子晶體的材料和結構參數。

8.根據權利要求5所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來調控光束衍射強度的方法，其特征還在于：所述光子晶體的相對于自準直方向的橫向尺寸滿足條件：能容納光束在光子晶體內部傳播而不會從光子晶體側向逸出。

9.根據權利要求5至8任一項所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來調控光束衍射強度的方法，其特征在于還包括：通過改變該光子晶體某一或某些組分的折射率來改變待調控光束所在頻率的等頻線曲率，以改變待調控光束的衍射強度。

10.一種基于權利要求1所述的支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體來探測折射率的方法，其特征在于，所述基于支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體探測折射率的方法至少包括以下步驟：

1)提供一塊支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體，一個放置于光子晶體一側的光源和一個放置在與所述光源相對的光子晶體另一側的光強探測器；其中，所述光子晶體內部有周期排布的空隙；所述光源能夠產生一具有特定頻率、寬度和強度且沿自準直方向入射到光子晶體的光束；所述光強探測器用于探測光束從光子晶體出射后的中心強度；

2)在所述光子晶體內部的周期排布的空隙分別填充多種已知折射率的材料以形成各第一填充光子晶體；

3)使光束入射至各第一填充光子晶體，并測量每一折射率所對應的出射光束的中心強度，以確定每一折射率與出射光束強度的對應關系；

4)在所述光子晶體內填充待測樣品以形成第二填充光子晶體；

5)使光束入射至第二填充光子晶體，并基于所測量出的射光束的中心強度、及折射率與出射光束強度的對應關系來確定待測樣品的折射率。