1 引言
光子晶体是折射率呈波长量级周期变化的结构，具有能带结构，因此也称为光子禁带材料。目前，光子晶体的理论研究已取得较全面的进展，制备研究也不断进步，许多光子晶体的制作方法被相继提出，例如微球自组织法、双光子聚合法、半导体微制作法和激光全息术法等。近来，光子晶体结构的光子器件机制研究也受到了广泛关注。其中激光全息术法因其显著的优点被认为是制备光子晶体的很有前途的方法之一。
2 光子晶体的激光全息制作
激光全息术制作光子晶体模板有很多优点，例如可以通过对各激光束的振幅、初相位、偏振态、波矢方向等参数灵活调节，制作具有各种对称性的光子晶体，如布拉格格子、准晶结构及各种各样的复式格子等。另外，激光全息术还有制作速度快，制作面积大、精度高，结构占空比可控等优点。
2.1 激光全息术原光聚集方法制作光子晶体方案
2000年，英国牛津大学首先用激光全息术-光聚集方法制作出面心光子晶体[1]，如图1所示，被认为是实现实用光子晶体制作的一种好方法。随后，较早进行激光全息术研究光子晶体制作的几个单位介绍如下，日本Osaka等大学联合制作了木堆积结构[2]，如图2所示。德国纳米技术研究所最早用棱镜解决了面心结构的角度问题[3]，如图3所示。
中山大学则从解决激光全息术偏振问题入手，使激光全息术的偏振调节不再盲目，并用连续氩离子激光，使调节和制作更方便，并在提出新结构后先进行计算机模拟优化出最佳光路和偏振后再进行制作，所以制作出较多类型的新结构[4~12]。
2.2 激光全息术偏振问题的解决
激光全息术形成的光学晶格的晶体结构和晶格常数取决于激光束的波矢配置，而在干涉条纹的强度分布、对比度等方面，激光的偏振起着关键作用。起初激光全息术是随意调节各光束的偏振，一旦观察到较好的干涉条纹就进行制作，对复杂光路，此法不但效率低，而且无法得到最佳值。现在通过从理论入手直接计算出各光束偏振取向的最佳值，然后得出了激光全息多束激光的偏振态的最佳组合[13]，就可使实验快捷准确，进而就容易制作各种占空比的结构(如图4所示)，尤其是使高质量复杂结构的制作成为可能。根据计算所获得的各类光学晶格偏振取向的最佳值，实验就可随意地制作出效果很好的各种复杂结构系列[4~12]。现在所有新结构的全息制作都可先进行光路和偏振的计算机优化求出最佳组合。
2.3 光全息光塑的概念
激光全息术可以由多束激光产生的光学晶格使光聚集材料产生化学反应制作出微结构。也可以利用光学晶格中不同光强对物质作用力不同的原理，对某些半透材料通过光吸收软化和激光束作用力相结合实现微结构制作。
光全息光塑[5]是利用激光诱导热塑材料的热吸收到接近熔化的临界状态，然后利用不同光强对物质作用力不同的原理使材料集中于光学晶格的强光处，使材料形成全息光学晶格结构。撤去外光场后，全息光学晶格结构仍然保留。这种方法制作的微结构可以再次写入。
2.4 类金刚石结构光子晶体制作
理想的三维完全带隙的典型结构是金刚石结构和准晶结构，而其大面积的制作方法只有光全息术方法。金刚石结构的三维光子晶体是人们期待的最理想的三维完全带隙光子晶体；而金刚石结构中每两个最靠近的“原子”连在一起且未分开称为类金刚石结构。一次曝光法可以制作这种类金刚石结构[6]，理论计算表明此类金刚石结构的完全带隙与完全金刚石结构基本相同，并且打开完全带隙所需的折射率可低至2.05。若光束配置时将面心结构光路的中心光束改为圆偏振光，当各束光的偏振和强度调到计算值时，实验制作的就是类金刚石结构，如图5所示。
2.5 复式结构激光全息制作的理论研究和单曝光方法制作
复式结构光子晶体有很多理想的性质，它开辟了对光子晶体性质进行设计的新思路。金刚石结构可看成面心结构的复式结构，是有理想带隙的三维光子晶体结构。单一结构光子晶体的带隙特性已被较广泛研究，复式结构则带来新的性质和机制。理论上首次提出激光全息术是复式结构的理想制作方法并展示了一些复式结构的激光全息制作光路和对应的复式结构光学晶格 (包括两次曝光法[7]单次曝光法[8])后，复式结构的激光全息制作在国际上倍受重视，多个实验室进行了实验探索。单曝光方法制作复式结构最令人关注，其关键在于如何产生多套简单结构格子并控制它们之间的位移。通过控制各激光束及初相位、电场强度和偏振方向等参数，便可制出多种多样的复式结构。图6给出一些利用单曝光法制作的复式结构[9]。
另外，激光全息制作的结构可用群论给出其全部结构，即结晶学，文献[11]给出了非共面三束光干涉形成的二维光子晶体结晶学[10]，指出以此法形成17种平面群中的9种，介绍了具有不同空间群结构光子晶体的形成方法。椭圆偏振光的引入很关键，通过引入椭圆偏振光，可以得到不同空间群对称性的光子晶体。
2.6 准晶结构单次曝光激光全息制作
作为独立于传统晶体学分类之外的准晶结构，激光全息术制作准周期结构因具有众多独特的性质而倍受关注，王霞等[11]首次用激光全息术制作的5重对称性准周期结构是用5束光制作的如图7所示。通常情况下，是光束数等于对称性重数。对高重对称性结构，光束数过多不但光路太复杂造成难于制作，而且制作出的结构比预想的高重对称性准周期结构复杂。所以有必要设计出利用少光束单次曝光激光全息术制作准周期结构[12]。此项重要工作是从晶体学群论出发，推导出形成具有高对称性的2维准晶结构所需要的最少光束数，例如，8/10/12重对称性的2维准晶结构可以通过5束线偏振光干涉形成。图8展示了用5束光制作的8重和12重对称性准周期结构[12]。
2.7 周期性缺陷结构单次曝光激光全息制作
利用激光的时间相干性实现了多套干涉光场的非相干叠加，恰当选取其干涉图案、周期、对称性取向和相对强度，即可形成正弦调制的含周期性缺陷的光场[14]。
图9为周期性缺陷结构单次曝光激光全息制作的光路图和制作结果的电镜照片。一次曝光全息制作大小周期结构，其谱带等效于掺杂结构的谱带，能带计算表明此类模板的反结构支持TM模的单极谐振局域。此工作展现了全息法在制作光子晶体缺陷型元器件方面的可行性。
2.8 我国激光全息制作的研究现状
1994~1995 年，北京物理所就开展过激光全息研究，并在水面用光场作用使小球有序排列，同时在计算光学晶格方面做出了很好的结果。近年激光全息制作光子晶体的研究发展很快，参研的单位很多，包括中山大学在内的很多单位作出了出色的成果：香港科大两个小组分别作出很多高水平结果；武汉大学 2005 年以来高水平结果接连不断；山东大学的理论研究非常出色；北师大从很早前的体全息发展而来已有很多成果；厦门大学的激光全息术原光聚集方法制作也起步很早并有应用结果。这些研究小组都具备了自己的特色和正在继续发展。
3 光子晶体器件机制研究
光子晶体器件机制研究是目前倍受关注的研究方向，器件种类非常多，包括早期研究的光子晶体光波导，光子晶体天线，光开关和波分复用等。研究最广泛的是提高发光二极管的效率及激光光束质量。下面举例介绍利用几种不同光子晶体性质(杂质性质、相位性质、吸收性质、微腔模性质、自准直性质和异质结性质等)来研究产生的不同器件，每一特性或结合多种特性可发展各种各样的全新光子晶体器件。
3.1 频率和空间角双功能滤波器
通常的薄膜滤波器，滤波频率会随入射角度的变化而变化，即存在角度色散。一维光子晶体的TE、TM模的色散变化情况不同。据此机制(即结合角度色散和频率色散的特点) 可设计出一种一维光子晶体异质结结构，实现在频率域和空间角度双功能滤波[15]。
这种频率和空间角度双功能滤波器只允许某个特定频率、角度的电磁波通过，此外任何情况均禁止传播，如图10所示。这种一维的光子晶体频率和空间角度双功能滤波器膜片很轻，在大气和太空光通信抗干扰，激光制导导弹抗干扰等许多方面将有潜在用途。
3.2 可大规模集成的光子晶体宽带波片
利用光子晶体禁带的高反射特性及其相位特点，用二维光子晶体设计了易于集成且在光子晶体禁带内存在的相当宽的频率范围(如光通信整个工作波段内)；不管什么波长的光入射，单一波片能成为任意对应波长的波片[16]。
图 11 展示了可大规模集成的光子晶体宽带波长相位关系原理图，例如用于集成波分复用的芯片中，可用一光子晶体波长取代全部分光路的不同波片来满足全部光通信波片要求。相位延迟量可通过调节结构参数来实现，从而可以制作任意相位延迟的宽带波片。
3.3 金属介质结构一维光子晶体的强吸收
根据隧穿慢光速等多种金属介质光子晶体特性，设计了一类一维金属介质光子晶体；它可按不同用途实现宽带或窄带高效率吸收，并实现宽入射角范围内的高效率吸收[12]，如图 12 所示。宽带宽入射角范围内的高效率吸收一维金属介质光子晶体可用于飞机或导弹对激光制导导弹的隐形。简单结构的窄带高效率吸收一维金属介质光子晶体可用于确保电子器件和光电子器件封装的激光焊接高质量。
3.4 光子晶体高散射闭合微腔的增强模
光子晶体微腔有很多特性能导致很多方向的发展及产生很多种类的应用和器件。光子晶体高散射闭合微腔是其中一种。实验研究表明高散射随机激光工作物质的光子晶体封闭腔有增强模[18]。
它在发展光子晶体闭合微腔结构和随机激光工作物质结合的超低阈值微腔激光器的研究方面有潜在价值。图13给出光子晶体闭合微腔内高散射激光工作物质各方向的强度和模式，0毅方向最强，腔模清晰。
3.5 利用光子晶体自准直设计的方向发射器和分束器
利用光子晶体自准直现象并结合光子晶体波前重构理论，提出了一种表面修饰方法来制作光子晶体方向发射器和各种光分束器的方案[19]。有限时域差分模拟结果表明具有小发散角的方向辐射器能够在相对带宽约为10.2%的自准直频率范围内获得。进一步研究表明，仅需修饰出射表面的单层结构，即可制作各种简洁紧凑的光分束器，如Y型、1到3和1到5光分束器，这些分束器具有能量对称分布、高透射和体积小的优点，图14是有限时域差分数值模拟结果。
3.6 高灵敏度光子晶体全光开关
利用三缺陷的一维光子晶体并结合一短波通结构形成异质结结构，在靠近短波通一侧的缺陷层内引入非线性材料，可以制作很高灵敏度的光子晶体全光开关。理论计算显示:所需的杂质层折射率改变小于 10-4，所需的全光开关的抽运光的最低功率密度为10 mW/mm2，即当光开关用的是皮秒或飞秒激光时，飞焦的单脉冲激光能量就足以操纵全光开关。
4 含特异材料的光子晶体性质
近年，光子晶体的理论研究已不再停留在带隙 等基本特性上，有的与特异材料研究相结合进行研究，有的与量子光学相结合，有的与孤子涡漩等研究结合。作为例子，这里简单介绍一些含特异材料的光子晶体相关的研究结果。
含特异材料一维光子晶体内存在完全带隙[20]: 本来一维光子晶体内是不可能存在完全光子带隙的，但理论研究展示含有透明左手材料的一维光子晶体在三维空间都能出现光的陷阱，即存在完全光子带隙。单负材料构成的一维光子晶体中存在孪生缺陷模[21]: 在两种单负 (负介电常数或负磁导率)材料周期堆叠构成的一维光子晶体中引入缺陷，发现若往该光子晶体中掺入单负材料的缺陷层，在该结构的零有效相位带隙内存在新奇的孪生缺陷模现象，此孪生缺陷模有其变化规律和存在条件。图15为孪生缺陷模随缺陷层厚度的变化特性图。
与含负折射率材料的一维光子晶体中的缺陷模的角度色散特性有关的研究[22~24]:对含负折射率材料的一维光子晶体中的缺陷模的角度色散特性研究发现，随着入射角度的改变，当光子晶体中周期结构的反射相位的改变量与缺陷层的光学相位厚度的改变量相互抵消时，在光子晶体的零平均折射率带隙和布拉格带隙内的缺陷模的角度色散均接近为零；当两者不能抵消时，缺陷模表现为正色散或负色散。研究发现两种单负材料堆叠构成的一维光子晶体异质结的周期结构，在其零有效位相带隙内将产生一系列的振荡透射模，它们对称地分布在带隙中心频率的两侧，并且角度色散均较小。随着异质结构的周期数增加，这些振荡透射模将发生分裂。
正负折射交替一维光子晶体有一种可变杂质模:正负折射交替一维光子晶体设计为一定结构时。会出现杂质折射率有一阈值，大于阈值其变化可调杂质透射光的传输角度，小于阈值可调杂质透射光的强度[25]。
5 结束语
光子晶体器件的研究将是今后光子晶体最重要的研究对象。光子晶体器件能否达到实用 水平，关键看光子晶体制作技术的发展。今后一段时间内，发展光子晶体原理的光子器件和发展光子晶体制作技术将吸引大批研究人员进行研究，也将是决定人们对光子晶体的预言是否将成为现实的重要组成部分。
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