专利名称：光子晶体的普朗克辐射的动态控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用光子晶体作为THz或者其他频率的电磁辐射 源，更具体地，涉及通过光子晶体动态地传播能隙间断从而改变热电 磁辐射的光诿分布。
背景技术：
在很适宜的温度下，小物体具有显著的自由能，其以热电磁辐射 的形式发出，覆盖较宽光镨带，包括可见光、红外光(IR) 、 THz等。 对于理想黑体发射源，热电磁辐射遵循图1所示的普朗克光镨分布10。 根据温度，黑体发射源在约5 ~ lOjim的IR波段内具有主发射波长(峰 值)12。 一般材料可具有更复杂的发射光谱，但总是保持普朗克分布 作为发射峰值的上限，而不是在所有频段上均匀分布。
光子晶体(PC)结构包括一维、二维或三维地对局部折射率(或 者介电常数，对于非磁性材料)的周期性高反差的修正。基础的材料、 加工、制造以及调整机制均已得到完备的开发(例如，C. Lopez， Advanced Materials 15,1679(2002))。在折射率之间具有足够反差的 任何两种物质均可以放置于其成分具有特定的几何排列、间距和形状 的稳定的周期性的装置中，以对光子波长的特定范围产生光子能隙 (PBG)。这种结构中的电磁辐射传播将经历晶格阵列的多重布喇格 (Bragg)散射。在特定条件下，多重散射波破坏性地相干涉，导致
在较宽波长范围内的最小传输，这被称为"带隙"(从半导体物理中借 用的术语)。当对波长带内的所有入射角度和所有偏振的传输均被阻
塞时，PBG被称为完全的。可以主动控制PC材料以开放或者关闭 PBG。这可以通过调整折射率反差、改变几何排列或者改变散射物的 对称性来实现。如果周期性的晶格以保持周期性而改变其晶格间距的 方式发生了应变，这种变形只会简单地改变对称参数，从而移动带隙 边缘。或者，如果周期性的晶格以产生非周期性晶格变形的方式发生 应变，带隙可以被关闭。
当物体是PC时，物体的普朗克光谱分布可以修正。PBG的存 在可以用来在特定波段中抑制辐射功率而在其他波段中增强辐射功 率(Z. Li， Physical Review B 66， R241103(2002)，及S. Lin等Physical Review B 62, R2243 (2000))。当带隙位于普朗克光镨分布的主峰值
(例如5 10nm)附近时其效果最为显著。三维(3D) PC可以引起 光子状态密度(DOS)在不同频带中的强的再分布，从而修正热电磁 辐射。上面提及的Li设计了 PC的DOS以在短波长区域的低DOS 带中得到成数量级的提高。这使得在适宜的腔体温度下，在可见光波 段(大约0.5nm)的热电磁辐射的发射显著增强。
E. J. Reed等著PhysicalReviewLetters 90 ， 203904
(2003a) ; E. J. Reed等著Physical Review Letters 91， 133901
(2003b );以及2004年10月26日授予E. J. Reed等的题为"电磁辐 射的激波调制和控制"的美国专利第6，809，856号，描述了一种将注入 PC的、来自外部单一频率激光器的单一频率电磁辐射进行移动(上 移或下移)的技术。Reed等通过对在具有PBG的PC中的晶格变形
(或者折射率改变)脉冲("激波")的传播进行仿真来考虑了特定形 式的时间变化的PC,入射光遇到沿相反方向移动的激波(例如上移 的第一带隙)后被向后折射使得光搭栽在激波上并被推升过带隙达到 更高频率。在其实现方式中，入射辐射限于可见光谱，频率移动宽度 限于PC的第一静态带隙。在后者的公开(Reed 2003b)中，说明了 通过材料的介电常数中的压缩诱导波所导致的向下移动。
成功地实现THz频率系统的一个主要瓶颈在于现有THz源的有 限的输出功率。多数系统利用光学技术产生THz辐射，但它们需要大 型的激光器、复杂的光学网络、和冷却系统。也有使用PC结构产生 THz辐射的报告。Lu等，IEEE Journal of Quantum Electronics 38, 481 (2002)讨论了非线性PC中的光学辐射，它需要抽运光(pump light)并以约1%的效率将其转换为THz辐射。Iida等，CLEO-QELS 2003 Conference Paper CMI2 ( 2003 )在PC中的高Q值缺陷腔体内 放置了光混频天线。
而这些方法没有一个提供了紧凑、可靠且低成本的辐射源，也没 有提供对THz以及其他频率的辐射源电磁能的带宽和频率灵活性。
发明内容
本发明提供了 一种设计和动态控制PC以修正热电磁辐射的普朗 克光镨分布的方法，更具体地，移动主发射波长并对分布重新整形以 在偏移后的峰值附近集中更多能量。本方法使用PC的内部热能来配 置对THz以及其他频率的源电磁辐射具有带宽和频率灵活性的紧凑、 可靠且低成本的辐射源。这些辐射源将在许多应用产生很大影响，例 如生物和/或化学传感、生物医疗以及其他成像系统、波谱学、无人航 空器系统以及自动交通产品等。
移动和对分布重新整形是通过将带隙间断传播穿过PC以在普朗 克光谦分布的主发射波长附近的区域中俘获热能并传送该能量至要 发射的不同的波镨区域而得以实施的。可以通过简单地加热PC来增 强热辐射的强度。PC具有本征控制参数(例如，晶格几何因子、散 射要素几何因子、以及折射率的变化)用以产生PC上的带隙。"脉沖" 的应用作用于控制参数以产生带隙间断。
例如，机械脉冲压缩晶格常数以产生通过PC的激波。或者，磁 脉冲改变高磁导率材料中的光折射率以产生带隙间断。其他用于以 "脉沖，，方式改变控制参数的机制包括通过压缩或者精炼 (rarification )或者电场来窄范围地改变晶格的对称性(相变)或者
材料的介电常数。
为了扩展单个带隙附近的频率移动范围，控制参数在PC上空间 地变化以形成沿PC的轴移动而逐渐变化的带隙梯度。从集中了热产 生电磁能并向长波长区域传播的短IR波长区域开始，沿PC轴传播 的带隙间断局部地俘获热电磁辐射，将其频率向下移动，并将低频热 电磁辐射推向下一区域。同样的原理适用于向短波长的移动。
基于PC的功率组合(power combining)和波导结构可以同样 的方式或者以包围结构的方式构造以合并和引导被移动的辐射至天 线或者出口孔径。在一个实施方式中，设置用以在被移动的峰值处共 振的许多缺陷腔体在最后梯度阶段在PC中被间隔开以收集峰值附近 的窄波段内的能量。 一旦建立了能级，下一个脉冲使腔体向波导耦合 并释放能量并向天线输出。辐射源可以设置为释放每个连续脉沖中的 一些能量，或者释放一个大脉冲中的全部能量。不同的几何形状和结 构可以用于实现功率组合和波导构造。例如，可以使用额外的缺陷腔 体的行来俘获未被第一行俘获的剩余能量。或者，以各自梯度形成许 多行的缺陷腔体并"抽头(tapped )"以在不同的离散波长上输出能量。
通过以下对优选实施方式的详细说明并结合附图，本发明的这些 及其他特征和优点对于本领域技术人员而言是明显的。
图1，如上所述，是在给定温度下来自黑体的典型普朗克光镨分布图。
图2是辐射源的图，其中带隙间断传播通过3D PC以修正其普 朗克光镨分布。
图3a和3b为第一梯度阶段的PBG图及其基本的普朗克分布以 及修正后分布。
图4为梯度PC的带隙的图。
图5为表示带隙间断传播通过PC的带隙示意图。
图6为根据本发明的被移动的普朗克镨分布图。
图7a和7b为表示分别通过分阶段连续和连续的PC传播激波的 示意图。
图8为功率组合和波导结构的示意图。 图9为另一个功率组合和波导结构的示意图。 图10为圆柱状PC的示意图，其中带隙间断从结构的内表面向 外表面传播。
具体实施例方式
本发明描述了如何设计和动态控制PC以修正热电磁辐射的普朗 克光镨分布的方法，更具体地，移动主发射波长并对分布重新整形以 在偏移后的峰值附近集中更多能量。本方法对配置具有带宽和频率灵 活性的紧凑、可靠且低成本的辐射源以在THz以及其他频率上提供电 磁能量是有效的。这些辐射源将在许多应用产生很大影响，例如生物 和/或化学传感、生物医疗以及其他成像系统、波谱学、无人航空器系 统、列车装置以及自动交通产品等。
上文提及的Li和Lin提出了设计DOS以抑制IR区域的辐射发 射并大幅增大可见光波段(约0.5nm )辐射发射。在于2004年10月 7日提出的题为"使用光子晶体的热激励太赫兹辐射源"美国专利申请 中，这些原理被扩展为将峰值辐射移动至更长波长(例如THz区域)。 上文提及的Reed等提出对PC施加激波，其中单一频率电磁辐射从 诸如激光器的外部源沿反方向注入，从而激光器可以以不大于PC能 隙宽度的预定量来移动频率(向上或向下)。
我们已经应用并扩展了这些原理以设计和动态控制PC的有效移 动并对电磁辐射的普朗克光谱分布进行重新整形。这些发射可以通过 利用非常廉价的热源来加热PC而得到增强。其结果是简洁、可靠且 成本低的、具有波段和频率灵活性优于上文提及的Li和Lin的方案 的能力的辐射源。另外，我们将普朗克波谱分布的动态控制推广至穿 过PC的"带隙间断传播"。这通过施加作用于本征控制参数(例如晶 格几何因子、散射要素几何因子、折射率变化等)的脉冲来产生传播
穿过PC的带隙间断。"激波，，的产生只是一个具体实施例。我们已扩 展了可用的波段，并通过在PC中产生带隙梯度来提供对THz区域及 其他频率的源辐射必需的频率灵活性，以便带隙间断局部地俘获热电 磁辐射，下移(上移)其频率并将更低频率(更高频率)热电磁辐射 推至下一个区域。设计成具有带隙梯度的空间变化的PC也可与外部 电磁辐射源组合使用。我们还给出了基于PC的功率组合和波导结构 以合并和引导窄波段的移动脉冲辐射至天线。
如图2至6所示，热电磁辐射源14包括具有带隙梯度18的3D PC 16。根据特定源或者应用的需求，可以使用加热装置20加热PC以增 强热电磁辐射的强度。脉冲发生器22对PC16施加脉冲序列24以产 生沿PC的轴26传播的带隙间断。从热发生电磁能集中并向长波长区 域传播的IR波长区域开始，传播的带隙间断27局部地俘获热电磁辐 射，下移其频率，并将热电磁辐射推至重复该过程的下一个区域。其 累积效果是移动主发射波长并将普朗克分布重新整形以在峰值辐射 28附近集中更多能量。除了第一带隙优选置于超过普朗克峰值的长IR 区域以俘获更多热能外，同样的原理用于将频率移动至短波长。基于 PC的功率组合和波导结构30可以同样的方式或者围绕PC结构的方 式組合并引导移动后的辐射28至天线32，在该天线32处作为脉冲热 电磁辐射束34被发射。辐射核可以不用这种结构实现。
PC 16包括在周期性晶格38中的散射要素36，在散射要素和填 充区域40之间具有折射率反差。设置包括晶格几何因子(对称、方 向和尺寸常数)、散射要素几何因子(对称、方向和尺寸常数)以及 折射率变化(晶格填充和散射要素)的本征控制参数以产生PC 16中 的带隙。如图3a和3b所示，位于基本的普朗克光镨分布44附近的 带隙42抑制IR波段46内的热发射，增强在被修正了的光镨分布48 的长波长处的发射。
如图4所示，在一个实施例中，带隙梯度18呈分阶段的连续结
构。PC被分成N个空间区域50a、 50b.......52n。这可以通过，例
如，在空间上改变标准"木料堆，，状的Si结构以改变晶格常数。或者，
可以使用沉淀蛋白石结构工艺构建连续带隙梯度53，其中具有连续增 大的半径的Si或Si02球体顺序沉淀。总之，可以使用许多公知PC 结构的任何一种。
为了将热能从IR波段向分阶段结构的更长波长(例如THz区域) 移动，第一带隙52a被设置于基本的普朗克分布的峰值附近，优选设 置于短IR区域的峰值左侧以俘获大部分热能。第二至第N带隙 52b 52n设置于越来越长的波长区域从而产生带隙梯度18。每个
区域的宽度以及每个带隙取决于区域数量、期望的移动以及所施加脉
沖的强度。例如，如果每个带隙50a、 50b.......52n具有分数的带隙
宽度(带隙频宽除以带隙中心频率)25% ，则大约需要N = 15个阶段 以将频率从红外区域(26THz ~ 52THz)向下移动至lTHz。
如图5所示，施加穿过PC的脉冲56作用于控制参数以将脉冲 内的带隙52e移至带隙58e并产生传播的带隙间断27。在本例中，机 械脉冲56压缩晶格(间隔)常数以将带隙向上移动并产生通过PC的 激波(还是27)。或者，磁脉冲改变折射率以产生磁扰。其他晶格变 形和/或折射率改变的组合，如此前注意到的，是适合的。为了产生向 下的频率移动，带隙间断波应该产生介电常数增大的效果。带隙间断 传播通过带隙梯度结构的概念可用于根据带隙间断的具体情况而定 的向上或向下的频率移动。
由于带隙S8e传播通过PC，以大致相应于带隙52e顶部的波长 发射的热能60被激波27的波前俘获并被向前推进。当激波波前62 到达区域50e和50f间的界面64且激波波前的带隙能级"a"至少与下 一个区域52f的带隙能级"b"相匹配时，热能60被传送至下一个区域 并推移至约与带隙52f顶部相对应的更长波长。根据限定，热能不能 存在于带隙中。因此，当激波传波通过PC时，热能被推升至更长波 长的"阶段"。
如图6所示，设有带隙梯度的带隙间断通过PC的传播修正了热 电磁辐射的普朗克光镨分布70。更具体地，IR波段中靠近普朗克光 镨峰值附近的能量被俘获并传送至紧接着的波长更长的波段。这个过
程不仅移动主发射波长而且通过在峰值附近集中更多热能而重新整
形了分布。如图6所示，将第一带隙设置于普朗克分布峰值附近(优 选为峰值以下)传送了大量热能至长波长3w，从而使得光镨分布72 在3u处具有窄峰值。在每个后续阶段，波长被上移，峰值强度增大， 峰值变窄且曳尾得到压缩，在最后阶段产生修正后的光镨74。尽管热 能在每个阶段累积，大部分能量在第一阶段或者第一阶段偶中被俘 获。因此优化第一 PBG的设计和放置非常重要。在每个后续阶段， 带隙被设置于离基本的普朗克分布越来越远的位置，其强度在长波长 处迅速变小。
如图7a所示，示出了典型的实施例，包括PC 80，其中晶格常 数(散射要素间的间距)被i殳定且空间地变化以产生分阶段连续的带 隙梯度82。 PC的第一区域84a具有与位于普朗克分布88的峰值附近 (优选为峰值以下)的PBG86a相对应的较小的晶格常数。相反地， PC的笫N区域84n具有与位于普朗克分布88峰值之上的PBG 86n 相对应的较大的晶格常数。
对PC施加机械脉冲以产生压缩晶格常数92并移动介电常数从 而改变折射率的激波90。折射率的改变的影响超过晶格常数的压缩的 影响，从而净效果为将带隙推至长波长。由于波长从IR区域增大至 THz区域，热电磁辐射在移动的激波/PC界面中被捕获，如图7b所 示，另一实施例包括PC93，其中晶格常数(散射要素94间的间距) 被设定并空间地变化以产生连续带隙梯度95。
辐射核适当地被基于PC的波导和功率组合结构30所围绕或者 附加在该基于PC的波导和功率组合结构30上，以使辐射能可以被有 效收集和引导至输出天线32。适当设计PC层以在期望频段具有带隙， 从而得到从核向输出天线的辐射的有效耦合。可以视应用使用不同的 几何形状和结构。
如图8所示，由辐射核102发射的热电磁辐射100 (向上移动并 集中)耦合至PC层104，在该PC层104中设置的在移动后的峰值处 谐振的缺陷腔体106沿与激波108传播方向正交的的方向在PC中被
分隔开，以收集峰值附近的窄波段的能量。
一旦能量级建立，每个第
m脉冲引起腔体106向波导110耦合并释放能量并输出至发射脉冲辐 射的束114的天线112，其中m由腔体的Q值决定。该源可以设置成 每隔第m脉沖释放一部分或者所有存储的能量。可以使用缺陷腔体 106的额外的行来俘获第一行未俘获的剩余能量。
如图9所示，可以分别在辐射核自身内的空间变化的PC124的
区域122 N、 N-l......中形成缺陷腔体120的行并向波导126、 128耦
合并输出至天线130、 132，以从热电磁辐射133中提取多个离散频率。 在另一实施方式中，整合腔体134可以耦合至天线以整合波束并提供 连续的热电磁辐射。
除上面讨论的线性几何形状外，如图IO所示的柱状结构150也
是可行的，带隙间断从结构的内表面152向外表面154传播。在这种
情况下，脉冲可以通过加热沿柱状轴向偏置的线156产生。辐射从没
有共振缺陷腔体的整个外表面154发射以收集辐射和改变辐射方向。 有许多其他可行的几何形状装置用于带隙梯度，包括例如球状装置。
尽管给出和描述了本发明的多个i兌明性的实施例，对于本领域技 术人员而言还会出现多种变化和替代实施方式。这种变化和替代实施 方式是预期的，可以在不偏离本发明所附的权利要求限定的主旨和范 围的前提下得以制造。
权利要求
1.一种方法，包括使带隙间断(27)传播通过光子晶体(PC)(14)以修正热电磁辐射(70)的光谱分布。
2. 权利要求l中记载的方法，还包括 加热(20)上述PC以增强热电磁辐射。
3. 权利要求l中记载的方法，其中，上述PC具有带隙梯度(18)，上述传输带隙间断在上述带隙梯 度的一端俘获光镨分布(70)的IR波段中的峰值附近的热能并将其 传播至上述带隙梯度的另一端的另一谦段(74)。
4. 权利要求3中记载的方法，其中， 上述带隙梯度是分阶段连续(52a 52n)的。
5. 权利要求l中记载的方法，还包括利用共振缺陷腔体(106)区域收集修正后的光镨分布的峰值处 的热电磁辐射，然后集中地将其中储存的辐射排放至波导(110)中。
6. 辐射源，包括光子晶体(PC) (14)结构，其具有在热电磁辐射(70)的普 朗克光谱分布的IR波段附近产生至少一个带隙(52a)的本征控制参 数；和源(32 )，其施加脉冲(24 )至PC以作用于上述本征控制参数， 从而使带隙间断(27)传播通过PC以修正普朗克光镨分布。
7. 权利要求6中记载的辐射源，还包括 加热上述PC的加热装置(20)。
8. 权利要求6中记载的辐射源，其中，上述本征控制参数空间地变化穿过上述PC以在位于IR波段中 的普朗克光镨分布的峰值附近的第一区域(50a )产生第一带隙(52a )， 在第二区域(50b)产生第二移动带隙(52b)，以及在位于另一波段 的第N区域(50n)产生第N移动带隙(52n)，上述穿过PC传播的 带隙间断俘获每个区域的每个波段的热能，移动其波长，并将波长移 动了的辐射推至下一个区域。
9. 权利要求6中记载的辐射源，还包括多个缺陷腔体(106)，用于收集热能并将能量排入将其导引至 天线(112)的波导(110)中。
10. 权利要求9中记载的辐射源，其中，上述缺陷腔体是与修正后的光镨分布(74 )的峰值谐振的局部谐振腔。
全文摘要
带隙间断传播穿过光子晶体(PC)(14)以俘获普朗克光谱分布的主发射波长附近区域的热能并将该能量传送至要发射的不同的波谱区域。为了扩展单一带隙宽度附近的移动范围，本征控制参数(例如，晶格几何因子、散射要素几何因子、以及折射率变化)在PC中空间地变化以形成带隙梯度(18)。从集中了热产生电磁能并向长波长区域传播的短IR波长区域开始，沿PC轴向传播的带隙间断局部地俘获热电磁辐射，将其频率向下移动，并将低频热电磁辐射推向下一区域。同样的原理适用于向短波长的移动。基于PC的功率组合和波导结构(30)可以同样的方式或者以围绕PC结构的方式组合并引导移动后的辐射至天线或出口孔径(32)。
文档编号G02B6/12GK101099222SQ200680001822
公开日2008年1月2日 申请日期2006年1月5日 优先权日2005年1月6日
发明者威廉·R.·欧文斯, 尼特什·N.·沙罕, 德马尔·L.·巴科尔, 罗斯·D.·罗森沃尔德, 浩 辛 申请人:雷斯昂公司