物理学

光子晶体制备技术和应用研究进展

倪培根

摘要：目的：从光子晶体的概念提出到现在已经20余年，光子晶体不仅成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域，而且在信息光学和其它多个学科中得到广泛的应用。本文回顾了光子晶体的发展，并重点研究了光子晶体的制备工艺的发展和相关应用进展，以及存在的问题，同时提出了一些展望。进展：关于光子晶体的制备，主要回顾了二维光子晶体和三维光子晶体的制备技术。从光子晶体的概念看，光子晶体周期的线度近似等于相应的工作波长除以介质的折射率，所以工作在可见光或近红外区的光子晶体的制备依然是一个比较困难的课题。根据近年来的发展情况，我们回顾了利用电子束直写技术和相关图形转移技术（包括反应离子束刻蚀等）制备二维平板光子晶体的方法，同时也介绍了三光束相干曝光技术、紫外曝光技术、通过电化学腐蚀铝膜而得到大纵横比的周期微孔阵列、通过氟化氢溶液腐蚀n型硅〈110〉表面而得到的大纵横比的微孔等技术。对于三维光子晶体的制备，我们回顾了胶体自组装法制备（111）晶向的面心立方光子晶体、模板辅助的胶体自组装法制备（100）晶向的面心立方光子晶体的技术；同时介绍了电子束直写和其他图形转移方法联合制备三维光子晶体的技术，也简要介绍了多光束相干、双光子直写、掠角度沉积技术、纳米笔直写以及自克隆沉积等制备三维光子晶体的技术。与此同时，我们也回顾了各种制备技术的误差对光子晶体性能的影响。然后，我们回顾了光子晶体的应用，根据光子晶体的能带结构中带隙边缘的色散关系以及引入缺陷后所引入的缺陷模特性，光子晶体具有广泛的应用。在这里，我们仅仅就光子晶体在集成光子学上的应用，包括90°折弯无损耗波导、延迟线、波分复用器件、超级棱镜、应用负折射效应的平板透镜、自准直、分束器和光开关等；同时我们也简要介绍了光子晶体在量子信息处理和其它发光器件量子效率的提高上的应用，以及在太阳能电池的效率、传感器和探测器灵敏度的提高上的应用等。展望：经过这20多年的发展，光子晶体的相关理论基础和应用方案得到了充分的发展。在要求光子晶体的制备精度较低的领域，比如光子晶体在太阳能电池效率和探测器灵敏度的提高上可能会很快得到实际应用。而在集成光子学上应用，尤其是量子信息处理等领域上的应用，则由于要求制备的光子晶体达到亚纳米量级的精度，这仍需要纳米制备技术上的突破，才能得到实际的应用。光子晶体从诞生之日起，各种新现象、新性质被不断发现，从而衍生出一些新的研究方向，随着对光子晶的深入研究，会进一步发掘出光子晶体可能具有的一些新性质和应用。

来源出版物：物理学报, 2010, 59(1): 340-350

入选年份：2015

实验研究大气压多脉冲辉光放电的模式和机理

郝艳捧，阳林，涂恩来，等

摘要：目的：不同实验条件下，大气压下介质阻挡放电表现为不同的放电模式，如丝状放电、辉光放电、Townsend放电和多脉冲放电等。目前对于大气压多脉冲辉光放电的放电模式和形成机理仍没有定论。本文采用稍不平行电极，通过ICCD相机拍摄多脉冲辉光放电脉冲各时刻的短时曝光照片，研究各个放电电流脉冲以及脉冲之间的放电模式。方法：通过实验与仿真计算相结合对大气压氦气介质阻挡多脉冲放电进行研究。首先，对稍不平行电极4 mm间隙氦气多脉冲放电进行试验研究，利用高速ICCD相机拍摄多脉冲辉光放电脉冲各时刻的短时曝光照片，根据各个电流脉冲不同时刻的放电图像分析放电模式的演化情况。其次，基于实验测得的电流波形对介质表面电荷进行仿真计算，得到多脉冲介质阻挡放电过程介质表面电荷的变化情况；根据阻挡介质表面电荷、气隙空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系分析气隙不同位置处的击穿规律，并解释多脉冲形成的原因。结果：当外加电压的频率为11.85 kHz，峰值为3.18 kV时，大气压氦气介质阻挡放电电流为三脉冲。根据ICCD拍摄获得的放电图像分析发现：（1）第一个电流脉冲放电首先在间隙稍窄的电极左端开始；在第一个脉冲电流峰值，间隙右端也开始放电；第一个放电脉冲物理过程经历了Townsend放电到辉光放电的过程。（2）第二个和第三个放电电流脉冲过程中放电空间都呈现出辉光放电的特征，只是发光强度随着放电电流的大小变化而出现强弱变化；第二个放电电流脉冲过程似乎从右端开始，达到电流峰值时，电极中间放电最强，左右两边放电强度相当；第三个电流脉冲，放电已经均匀，左端和右端同时放电。（3）第一和第二放电电流脉冲之间，气隙的放电没有熄灭，仍然维持着辉光放电，只是强度很弱；第二和第三放电电流脉冲之间，气隙的放电也没有熄灭，仍然维持着辉光放电，只是强度更弱。根据阻挡介质表面电荷、气隙空间电荷、外加电压与气隙电场强度的关系综合分析表明：在第一个放电电流脉冲接近结束时，电极左端气隙的表面电荷以及空间电荷相对右端气隙较小，而右端气隙放电还没有熄灭。因此，外加电压的增加使得右端放电在熄灭前又重新增强，第二次放电发生，形成了第二个放电电流脉冲。第二个放电电流脉冲过程中，从电极右端气隙放电逐渐增强。到放电电流峰值时，放电集中在电极中间区域，此时左右两端表面电荷和空间电荷的积累已基本相当，弥补了电极的稍不平行引起的不均匀，电场变得均匀，因此第三个脉冲从电极中间开始。结论：大气压He气多脉冲放电的第一个电流脉冲经历了Townsend放电到辉光放电的过程，随后的每一个脉冲均是辉光放电。放电电流脉冲之间，气隙放电并没有熄灭，仍维持着微弱的辉光放电，不再出现Townsend放电。多脉冲辉光放电的形成是由放电累积的表面电荷以及驻留在气隙的空间电荷与外加电压共同演化的结果。

来源出版物：物理学报, 2010, 59(4): 2610-2616

入选年份：2015