[发明专利]多介质耦合三维光子晶体及其设计制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多介质耦合三维光子晶体及其设计制造方法。具体是指同时包含两种以上介质材料的三维光子晶体。

背景技术

光子晶体是指介电常数(或折射率)在三维空间上呈三维排列的一种复合结构材料。Yablornovitch和John在1987年分别研究抑制原子的自发辐射和光局域时独立提出光子晶体的概念。与传统的晶体材料类似，当介电常数在三维空间中受到调制时，就会呈现出与固态电子晶体相似的能带结构，能量处于带隙之中的电磁波将不能在此结构中传播。当工作的电磁波频率在光波段时，习惯称之为光子晶体或光子带隙结构。当工作的电磁波频率处于微波频段范围时，习惯称之为电磁带隙结构。为研究方便，统一沿用“光子晶体”这一概念。

光子晶体最基本的特性是光子禁带和光子局域。除此之外，研究人员还在光子晶体发现了慢波和超慢波传输及负折射现象。光子晶体的各种新型应用都是基于光子晶体结构本身的这些新颖奇特的性质。反射镜、光学波导和谐振腔是光子晶体应用的几个基本领域。由于光子晶体具有带隙特性，因此通过合理设计就可以得到反射率接近100％的反射镜。基于反射镜的设计，很容易就可以获得各种各样高效率的滤波器(如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、极窄带滤波器等)。从反射器出发，利用光子晶体中TE和TM极化的不同带隙特点就可以获得各种偏振器。通过在反射镜设计中引入恰当的线缺陷，就可以获得优异的光学波导。而通过在反射镜设计中引入恰当的点缺陷，就可以获得高品质因子的谐振腔。对实现光子晶体的这些特性来说，越宽的带隙越有利于在更宽的范围内控制电磁波的传输。

光子晶体的带隙可以通过改变结构、填充率和高低介电比来控制。关于不同三维结构，如木堆结构、金刚石结构光子晶体已经有不少研究报道。而Kirihara等的文章“通过改变电磁晶体的周期控制电磁波的传输”(Solid State Communications，124期，2002年，135-139页)研究了将金刚石结构周期拉伸对光子晶体带隙的影响，实质是通过改变光子晶体结构的填充率来控制电磁带隙，拉伸后得到了更宽带隙的光子晶体。吕雪松等的文章“用微波介质粉末制备毫米波电磁带隙晶体”(Joural of American Ceramics Society，9期2009年，第371-378页)研究了不同介电常数微波介质材料各自对电磁带隙的影响。但是基于制造技术的限制，以上这些研究中光子晶体都是只包含高低介两种介质材料，同时包含两种以上介质材料的光子晶体至今没有研究报道。这是由于三维结构的复杂性，加上同时包含的多种介质材料在成型、干燥和烧结过程中的不一致性都使其制造非常困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多介质耦合三维光子晶体及其设计制造方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

多介质耦合三维光子晶体中周期性包含了多种不同介电常数的介质材料，所述光子晶体中包括周期性层叠和交叉两种形式：

周期性层叠的多介质耦合三维光子晶体是指：将三维光子晶体结构平均分为两部分或更多部分，在每一部分中分别填充不同介电常数的介质，最后形成同时含有多种不同介电常数介质的光子晶体；

周期性交叉的多介质三维光子晶体是指：将具有周期性三维结构的光子晶体中，第一层填充第一种介质，第二层填充第二种介质，第三层再填充第一种介质，第四层再填充第二种介质，以此类推；或者是每一层中交叉填充不同介质；或者两种介质相互嵌套填充形成多介质光子晶体。

所述三维结构包括三维柱状金刚石结构和球状金刚石结构以及金刚石结构的衍生体，木堆结构。

所用介质材料包含所有陶瓷材料，液体材料和超低温金属材料；所述多介质耦合是指陶瓷材料之间、液体材料之间或超低温金属材料之间多种不同介电常数的介质各自耦合，或者是陶瓷材料、液体材料和超低温金属材料之间多种介质相互耦合。

一种多介质耦合三维光子晶体的制造方法，包括以下步骤：

首先根据电磁理论采用CAD软件进行结构设计和利用光固化快速成型制造树脂模型，并制备陶瓷浆料或液体材料、超低温金属材料；

其次，采用多步注模法制备多介质耦合三维光子晶体；

针对于周期性层叠的光子晶体，将注模用外壳进行连通式设计，每种介质材料对应的结构有一个注浆口和一个连通口，连通口的高度与对应介质所占结构的最高点平行。将一种介质浆料注模后，用橡皮泥封好注浆口和连通口，然后进行第二种介质的注模，以此类推，最终得到多介质三维光子晶体。