專利名稱：多介質(zhì)耦合三維光子晶體及其設(shè)計(jì)制造方法
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)的晶體材料類似，當(dāng)介電常數(shù)在三維空間中受到調(diào)制時(shí)，就會呈現(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，因此通過合理設(shè)計(jì)就可以得到反射率接近100%的反射鏡?；诜瓷溏R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。通過在反射鏡設(shè)計(jì)中引入恰當(dāng)?shù)木€缺陷，就可以獲得優(yōu)異的光學(xué)波導(dǎo)。而通過在反射鏡設(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。對實(shí)現(xiàn)光子晶體的這些特性來說，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改變結(jié)構(gòu)、填充率和高低介電比來控制。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“通過改變電磁晶體的周期控制電磁波的傳輸”(Solid State Communications，1 期，2002年， 135-139頁)研究了將金剛石結(jié)構(gòu)周期拉伸對光子晶體帶隙的影響，實(shí)質(zhì)是通過改變光子晶體結(jié)構(gòu)的填充率來控制電磁帶隙，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)研究了不同介電常數(shù)微波介質(zhì)材料各自對電磁帶隙的影響。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，以此類推，最終得到多介質(zhì)三維光子晶體。針對與相互嵌套結(jié)構(gòu)的光子晶體，將注模外殼的結(jié)構(gòu)上方中間按介質(zhì)種類用隔板分開，一邊用于第一種介質(zhì)對應(yīng)結(jié)構(gòu)的注模，另一邊用于第二種介質(zhì)對應(yīng)結(jié)構(gòu)的注模，最終得到多介質(zhì)耦合三維光子晶體。本發(fā)明與傳統(tǒng)的三維光子晶體相比，具有以下特點(diǎn)①本發(fā)明中的光子晶體包含兩種以上的介質(zhì)材料，多種介質(zhì)材料之間的介電常數(shù)比(折射率比)加強(qiáng)了布拉格散射，得到了比單一介質(zhì)材料光子晶體更寬的帶隙；②采用快速原型模具結(jié)合多步注模法解決了多介質(zhì)耦合光子晶體的成形問題，充分發(fā)揮了光固化快速成型在設(shè)計(jì)和制造上的優(yōu)勢，為光子晶體向器件化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的 ■石出。通過下面附圖和具體實(shí)施方式
的描述，將更清晰的展示本發(fā)明的特征。


圖1是周期性層疊金剛石結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)光子晶體圖2是周期性交叉金剛石結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)光子晶體圖3周期性嵌套金剛石結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)光子晶體圖4周期性交叉木堆結(jié)構(gòu)多種介質(zhì)光子晶體圖5根據(jù)實(shí)施例1制造多介質(zhì)耦合光子晶體的方法示意圖
圖6根據(jù)實(shí)施例3制造多介質(zhì)耦合光子晶體的方法示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1附圖1是周期性層疊金剛石結(jié)構(gòu)多種介質(zhì)光子晶體。選取多種合適的介質(zhì)材料 (介電常數(shù)分別為ε ρ ε 2、ε 3……)，利用快速成型和多步凝膠注模法制備多介質(zhì)耦合光子晶體。附圖1中第一周期層是介電常數(shù)為ε工的第一種介質(zhì)，在第一種介質(zhì)即將固化的時(shí)候往第二周期層注入第二種介質(zhì)ε 2，在第二種介質(zhì)快要固化的時(shí)候向第三周期層注入第三種介質(zhì)ε 3，以此類推，可制備如附圖1的同時(shí)包含多種介質(zhì)的光子晶體。所制備的多介質(zhì)耦合光子晶體可以是包含樹脂結(jié)構(gòu)的多介質(zhì)耦合光子晶體，也可以是經(jīng)過干燥、脫脂和燒結(jié)處理后的純陶瓷光子晶體。實(shí)施例2附圖2是周期性交叉金剛石結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)光子晶體。選取兩種合適的介質(zhì)材料 (介電常數(shù)分別為ε ρ ε 2)，利用快速成型和多步凝膠注模法制備多介質(zhì)耦合光子晶體。附圖2中第一周期層是介電常數(shù)為ε ！的第一種介質(zhì)，在第一種介質(zhì)即將固化的時(shí)候往第二周期層注入第二種介質(zhì)ε 2，在第二種介質(zhì)快要固化的時(shí)候向第三周期層注入第一種介質(zhì) S1，在第三周期層介質(zhì)即將固化時(shí)向第四周期層重新注入第二種介質(zhì)ε 2，以此類推，可制備如附圖2的同時(shí)包含三種介質(zhì)的周期性交叉金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體。所制備的多介質(zhì)光子晶體可以是包含樹脂結(jié)構(gòu)和兩種介質(zhì)的多介質(zhì)耦合光子晶體，也可以是經(jīng)過干燥、脫脂和燒結(jié)處理后的包含兩種陶瓷和空氣的純陶瓷光子晶體。實(shí)施例3附圖3是周期性嵌套金剛石結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)光子晶體。選取兩種合適的介質(zhì)材料 (介電常數(shù)分別為ε ρ ε 2)，利用快速成型和多步凝膠注模法制備多介質(zhì)耦合光子晶體。所述金剛石結(jié)構(gòu)通過CAD軟件抽殼處理，得到空氣金剛石結(jié)構(gòu)、樹脂金剛石結(jié)構(gòu)、空氣反金剛石結(jié)構(gòu)相互嵌套組成的多介質(zhì)金剛石結(jié)構(gòu)模型。向附圖3中的空氣金剛石結(jié)構(gòu)中注入第一種介質(zhì)S1，然后向空氣反金剛石結(jié)構(gòu)中注入第二種介質(zhì)ε 2，經(jīng)過真空冷凍干燥后得到由介質(zhì)S1、樹脂和介質(zhì)ε 2組成的包含三種介質(zhì)的周期性嵌套金剛石結(jié)構(gòu)三種介質(zhì)耦合光子晶體實(shí)施例4附圖4是周期性交叉木堆結(jié)構(gòu)多種介質(zhì)耦合光子晶體。選取兩種合適的介質(zhì)材料 (介電常數(shù)分別為ε ε 2)，利用快速成型和多步凝膠注模法制備多介質(zhì)耦合光子晶體。每層的相鄰的長柱體分別注入兩種不同的介質(zhì)材料ε ρ ε 2，上層對應(yīng)的長柱體和下層對應(yīng)的長柱體相互連通。所制備的多介質(zhì)光子晶體可以是包含樹脂結(jié)構(gòu)和兩種介質(zhì)的多介質(zhì)光子晶體，也可以是經(jīng)過干燥、脫脂和燒結(jié)處理后的包含兩種陶瓷和空氣的純陶瓷光子晶體。實(shí)施例5根據(jù)實(shí)施例1制造多介質(zhì)耦合光子晶體的方法。附圖5中所示的1是第一種介質(zhì)注漿口 ；2是連通口，作用是保證第一種介質(zhì)只能達(dá)到設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)高度；3、4分別是第一種和第二種介質(zhì)，5是樹脂模型，6是注漿用外殼。具體實(shí)施方法為將準(zhǔn)備好的第一種介質(zhì)漿料從1注入，當(dāng)漿料高度達(dá)到2連通口的高度時(shí)，多余的漿料會從2流出，此時(shí)用橡皮泥將1和2 口堵住，從模型頂端將事先準(zhǔn)備好的漿料2快速注入。上部的外殼較寬，這個(gè)設(shè)計(jì)的作用是有兩個(gè)，一是在注入第一種介質(zhì)漿料時(shí)，漿料到達(dá)中間高度后，多余的漿料會流向旁邊的空隙，最終從2 口流出，避免流入上部的結(jié)構(gòu)中；二是從模型頂端注入第二種介質(zhì)漿料時(shí)，漿料會從四周流出，盡量使?jié){料均勻向下，避免第二種介質(zhì)漿料集中某一點(diǎn)向下擠壓第一種介質(zhì)，從而引起兩種介質(zhì)相互混合在一起，注漿完成后經(jīng)固化、冷凍干燥后得到包含樹脂結(jié)構(gòu)和兩種介質(zhì)的多介質(zhì)耦合光子晶體，也可以經(jīng)過脫脂和燒結(jié)處理后的包含兩種陶瓷和空氣的純陶瓷光子晶體。實(shí)施例6根據(jù)實(shí)施例3制造多介質(zhì)耦合光子晶體的方法。附圖6中所示的結(jié)構(gòu)是圖3結(jié)構(gòu)加上外殼，中間用隔板將金剛石結(jié)構(gòu)和反金剛石結(jié)構(gòu)隔開。首先將第一種介質(zhì)ε ！的漿料注入空氣金剛石結(jié)構(gòu)中；然后將第二種介質(zhì)ε 2注入反金剛石結(jié)構(gòu)中，兩種介質(zhì)漿料經(jīng)固化、 冷凍干燥后得到同時(shí)包含介質(zhì)S1、介質(zhì)ε 2和樹脂三種介質(zhì)的多介質(zhì)耦合三維光子晶體。
權(quán)利要求
1.多介質(zhì)耦合三維光子晶體，其特征在于，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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維光子晶體，其特征在于，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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維光子晶體，其特征在于，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。
4.一種多介質(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；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，針對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，以此類推，最終得到多介質(zhì)三維光子晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，針對與相互嵌套結(jié)構(gòu)的光子晶體，將注模外殼的結(jié)構(gòu)上方中間按介質(zhì)種類用隔板分開，一邊用于第一種介質(zhì)對應(yīng)結(jié)構(gòu)的注模，另一邊用于第二種介質(zhì)對應(yīng)結(jié)構(gòu)的注模，最終得到多介質(zhì)耦合三維光子晶體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多介質(zhì)耦合三維光子晶體及其設(shè)計(jì)制造方法，在較寬頻率內(nèi)具有超寬帶隙并且容易制造的多介質(zhì)耦合三維光子晶體。根據(jù)本發(fā)明的多介質(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，采用快速成型結(jié)合多步注模法來制備，本發(fā)明中的光子晶體包含兩種以上的介質(zhì)材料，多種介質(zhì)材料之間的介電常數(shù)比(折射率比)加強(qiáng)了布拉格散射，得到了比單一介質(zhì)材料光子晶體更寬的帶隙。
文檔編號G02B6/13GK102520480SQ20111040620
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月8日
發(fā)明者孫坤, 李滌塵, 楊改, 梁慶宣, 田小永 申請人:西安交通大學(xué)