物理學

光子晶體制備技術和應用研究進展

倪培根

摘要：目的：從光子晶體的概念提出到現在已經20余年，光子晶體不僅成為微納光子學和量子光學的重要研究領域，而且在信息光學和其它多個學科中得到廣泛的應用。本文回顧了光子晶體的發展，并重點研究了光子晶體的制備工藝的發展和相關應用進展，以及存在的問題，同時提出了一些展望。進展：關于光子晶體的制備，主要回顧了二維光子晶體和三維光子晶體的制備技術。從光子晶體的概念看，光子晶體周期的線度近似等于相應的工作波長除以介質的折射率，所以工作在可見光或近紅外區的光子晶體的制備依然是一個比較困難的課題。根據近年來的發展情況，我們回顧了利用電子束直寫技術和相關圖形轉移技術（包括反應離子束刻蝕等）制備二維平板光子晶體的方法，同時也介紹了三光束相干曝光技術、紫外曝光技術、通過電化學腐蝕鋁膜而得到大縱橫比的周期微孔陣列、通過氟化氫溶液腐蝕n型硅〈110〉表面而得到的大縱橫比的微孔等技術。對于三維光子晶體的制備，我們回顧了膠體自組裝法制備（111）晶向的面心立方光子晶體、模板輔助的膠體自組裝法制備（100）晶向的面心立方光子晶體的技術；同時介紹了電子束直寫和其他圖形轉移方法聯合制備三維光子晶體的技術，也簡要介紹了多光束相干、雙光子直寫、掠角度沉積技術、納米筆直寫以及自克隆沉積等制備三維光子晶體的技術。與此同時，我們也回顧了各種制備技術的誤差對光子晶體性能的影響。然后，我們回顧了光子晶體的應用，根據光子晶體的能帶結構中帶隙邊緣的色散關系以及引入缺陷后所引入的缺陷模特性，光子晶體具有廣泛的應用。在這里，我們僅僅就光子晶體在集成光子學上的應用，包括90°折彎無損耗波導、延遲線、波分復用器件、超級棱鏡、應用負折射效應的平板透鏡、自準直、分束器和光開關等；同時我們也簡要介紹了光子晶體在量子信息處理和其它發光器件量子效率的提高上的應用，以及在太陽能電池的效率、傳感器和探測器靈敏度的提高上的應用等。展望：經過這20多年的發展，光子晶體的相關理論基礎和應用方案得到了充分的發展。在要求光子晶體的制備精度較低的領域，比如光子晶體在太陽能電池效率和探測器靈敏度的提高上可能會很快得到實際應用。而在集成光子學上應用，尤其是量子信息處理等領域上的應用，則由于要求制備的光子晶體達到亞納米量級的精度，這仍需要納米制備技術上的突破，才能得到實際的應用。光子晶體從誕生之日起，各種新現象、新性質被不斷發現，從而衍生出一些新的研究方向，隨著對光子晶的深入研究，會進一步發掘出光子晶體可能具有的一些新性質和應用。

來源出版物：物理學報, 2010, 59(1): 340-350

入選年份：2015

實驗研究大氣壓多脈沖輝光放電的模式和機理

郝艷捧，陽林，涂恩來，等

摘要：目的：不同實驗條件下，大氣壓下介質阻擋放電表現為不同的放電模式，如絲狀放電、輝光放電、Townsend放電和多脈沖放電等。目前對于大氣壓多脈沖輝光放電的放電模式和形成機理仍沒有定論。本文采用稍不平行電極，通過ICCD相機拍攝多脈沖輝光放電脈沖各時刻的短時曝光照片，研究各個放電電流脈沖以及脈沖之間的放電模式。方法：通過實驗與仿真計算相結合對大氣壓氦氣介質阻擋多脈沖放電進行研究。首先，對稍不平行電極4 mm間隙氦氣多脈沖放電進行試驗研究，利用高速ICCD相機拍攝多脈沖輝光放電脈沖各時刻的短時曝光照片，根據各個電流脈沖不同時刻的放電圖像分析放電模式的演化情況。其次，基于實驗測得的電流波形對介質表面電荷進行仿真計算，得到多脈沖介質阻擋放電過程介質表面電荷的變化情況；根據阻擋介質表面電荷、氣隙空間電荷、外加電壓與氣隙電場強度的關系分析氣隙不同位置處的擊穿規律，并解釋多脈沖形成的原因。結果：當外加電壓的頻率為11.85 kHz，峰值為3.18 kV時，大氣壓氦氣介質阻擋放電電流為三脈沖。根據ICCD拍攝獲得的放電圖像分析發現：（1）第一個電流脈沖放電首先在間隙稍窄的電極左端開始；在第一個脈沖電流峰值，間隙右端也開始放電；第一個放電脈沖物理過程經歷了Townsend放電到輝光放電的過程。（2）第二個和第三個放電電流脈沖過程中放電空間都呈現出輝光放電的特征，只是發光強度隨著放電電流的大小變化而出現強弱變化；第二個放電電流脈沖過程似乎從右端開始，達到電流峰值時，電極中間放電最強，左右兩邊放電強度相當；第三個電流脈沖，放電已經均勻，左端和右端同時放電。（3）第一和第二放電電流脈沖之間，氣隙的放電沒有熄滅，仍然維持著輝光放電，只是強度很弱；第二和第三放電電流脈沖之間，氣隙的放電也沒有熄滅，仍然維持著輝光放電，只是強度更弱。根據阻擋介質表面電荷、氣隙空間電荷、外加電壓與氣隙電場強度的關系綜合分析表明：在第一個放電電流脈沖接近結束時，電極左端氣隙的表面電荷以及空間電荷相對右端氣隙較小，而右端氣隙放電還沒有熄滅。因此，外加電壓的增加使得右端放電在熄滅前又重新增強，第二次放電發生，形成了第二個放電電流脈沖。第二個放電電流脈沖過程中，從電極右端氣隙放電逐漸增強。到放電電流峰值時，放電集中在電極中間區域，此時左右兩端表面電荷和空間電荷的積累已基本相當，彌補了電極的稍不平行引起的不均勻，電場變得均勻，因此第三個脈沖從電極中間開始。結論：大氣壓He氣多脈沖放電的第一個電流脈沖經歷了Townsend放電到輝光放電的過程，隨后的每一個脈沖均是輝光放電。放電電流脈沖之間，氣隙放電并沒有熄滅，仍維持著微弱的輝光放電，不再出現Townsend放電。多脈沖輝光放電的形成是由放電累積的表面電荷以及駐留在氣隙的空間電荷與外加電壓共同演化的結果。

來源出版物：物理學報, 2010, 59(4): 2610-2616

入選年份：2015