基于缺陷态的表面周期结构能带特性及在探测技术中的应用(3)
（b）正常光子晶体（原子自发辐射被抑制）
（a）自由空间原子自发辐射 （c）缺陷态或杂质态（原子自发辐射增强）
图1-2 光子禁带对原子自发辐射的影响[8]
1.3 光子晶体的制备
由于光子晶体晶格常数在微米量级，导致其在制备上存在较大困难。自光子晶体概念提出以来，人们不断进行实验研究，得到了许多能够应用于实际的制备方法，如：微机械加工法、半导体制造技术、胶体自组装法等。
微机械加工法是最早用于制备光子晶体的方法，通过在基底材料上机械钻孔，利用空气与基底材料的折射率差来获得光子晶体[9]。微机械加工法制作光子晶体虽然方便，易于控制，但这种加工技术只能用于制作微波波段光子晶体，无法制作可见光波段及红外波段的光子晶体，因此寻找探索研究其他制备方法显得有十分必要。
半导体加工技术是伴随着各种半导体材料的出现而发展起来的一种方法。利用光刻和牺牲层技术（sacrificial layer），研究人员已经在实验室中得到近红外频段的全带隙光子晶体结构[10]。
1994年，ISU的K.M.Ho.等[11]提出了一种层状叠加（layer-by-layer，LBL）的结构，用介质柱堆成三文光子晶体。同年，E.özbay等[12]用铝棒堆积成这种结构，得到了12～14GHz完全带隙三文光子晶体。之后，E.özbay通过改善堆积方法，制作了Si/SO2组成的三文光子晶体[13]，带隙范围76～116GHZ，如图1-3所示。
（a）E.özbay等制作的Si/SO2成的LBL结构的三文光子晶体
（b）hanhui Fan等用沉积与刻蚀技术制作的三文光子晶体[14]
图1-3利用半导体加工技术制作的光子晶体
早期的三文光子晶体制作多采用在LBL的结构，采用这种结构能够得到可见光波段与近红外波段的光子晶体。但是，这种加工技术的加工工艺较为复杂，且受到受刻蚀技术的限制，在制备缺陷态光子晶体上具有较大困难。
由于半导体制造技术在加工方面的局限性，人们在研究中提出并发展了胶体自组装法。目前最常采用的方法是利用胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备三文光子晶体[15]。经过多年的研究，研究人员总结了许多制备高质量胶体晶体的方法，主要有重力场沉积法、离心力场沉积法、模板法等。
重力场沉积法的思想来源于自然界中蛋白石的形成过程，利用分散胶体颗粒悬浮液溶剂的挥发作用，使胶体颗粒在中立场作用下自组装生长到基片上[16]。这种制备方法虽然简单，易于控制样品厚度，但也存在一定的不足：制备周期较长，悬浮液颗粒在重力场下的沉降过程的影响因素较多，难以保证光子晶体的质量。
采用离心力场沉积法，胶体悬浮液颗粒会加速下沉，可以用于制备大尺寸的光子晶体。利用这种方法制备光子晶体所需的时间较短，只要几个小时便能得到有序密堆积的样品[17]。但是，在离心力场下，不能保证悬浮液颗粒都处在能量最小的位置，这样得到的光子晶体在介质周期性上就会存在一定的瑕疵 。
1.4 光子晶体的应用
从提出光子晶体的概念到目前，经过二十几年的研究发展，光子晶体及其相关器件在应用上已经得了很大进展。这些器件的工作原理大多是利用特定频率的光波在光子晶体中传播受限来控制光的传输。利用这一特性，能够有效实现很多器件的应用，包括高效率低损耗反射镜[18]、光子晶体光纤[19]、高Q微谐振腔[20]以及在探测技术中的应用等。
1.4.1 高效率低损耗反射镜
当一束光入射到光子晶体上时，若光波频率处在光子晶体的禁带范围内，这束光不能在介质中传输，而是在表面被完全反射回去。高品质的反射镜正是光子晶体的这一特性制成。利用这种光子晶体反射镜制成的新型微波天线能够很好的利用能量（如图1-4）。这种平面天线采用光子晶体做基底，当天线向四周发射微波时，在光子晶体基底处发生全反射而不被吸收，因此很好的降低了由于吸收造成的损耗。