[论文解读] First Evidence of Near-Infrared Partial Photonic Bandgap in Polymeric Rod-Connected Diamond Structure

Lifeng Chen, Mike P. C. Taverne+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2015

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用 1

一句话总结

本研究首次通过实验验证了在近红外波长范围内，低折射率聚合物杆连接钻石（RCD）光子晶体结构中存在部分光子带隙。该结构通过双光子聚合技术制备，并利用角度分辨傅里叶图像光谱技术表征。对于P-和S-偏振光，模拟与实测的透射和反射光谱表现出良好一致性，证实了该结构在近红外波段的光子带隙行为。

ABSTRACT

We present the simulation, fabrication, and optical characterization of low-index polymeric rod-connected diamond (RCD) structures. Such complex three-dimensional photonic crystal structures are created via direct laser writing by two-photon polymerization. To our knowledge, this is the first measurement at near-infrared wavelengths, showing partial photonic bandgaps for this structure. We characterize structures in transmission and reflection using angular resolved Fourier image spectroscopy to visualize the band structure. Comparison of the numerical simulations of such structures with the experimentally measured data show good agreement for both P- and S-polarizations.

研究动机与目标

• 证明低折射率聚合物杆连接钻石（RCD）光子晶体在近红外波长范围内存在部分光子带隙。
• 利用直接激光写入结合双光子聚合技术，制备复杂的三维光子晶体结构。
• 通过透射和反射测量，实验表征RCD结构的光学响应。
• 针对P-和S-偏振光，将数值模拟结果与实验数据进行对比验证。
• 为未来基于聚合物材料的低折射率光子晶体发展建立基准。

提出的方法

• 利用直接激光写入结合双光子聚合技术，制备三维聚合物杆连接钻石（RCD）结构。
• 对RCD结构的光学特性进行模拟，以预测其在近红外波段的光子带隙行为。
• 采用角度分辨傅里叶图像光谱技术，测量不同入射角下的透射和反射光谱。
• 对比模拟与实验测得的P-和S-偏振光的光学响应，以验证结构与光学特性的保真度。
• 利用数值建模预测能带结构，并与实验数据进行关联以验证。
• 分析近红外波段范围内的光学响应，以识别带隙特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 该聚合物杆连接钻石结构是否在近红外波长范围内表现出部分光子带隙？
• RQ2 数值模拟对所制备RCD结构在P-和S-偏振光下的光学响应预测精度如何？
• RQ3 实验测得的透射和反射测量结果与模拟能带结构预测的吻合程度如何？
• RQ4 角度分辨傅里叶图像光谱技术能否有效可视化复杂三维聚合物光子晶体的光子能带结构？
• RQ5 低折射率对比度在实现聚合物基RCD结构中可观测的光子带隙效应中起到何种作用？

主要发现

• 本研究首次实现了对近红外波长范围内聚合物杆连接钻石结构部分光子带隙的实验测量。
• 所制备的RCD结构表现出可测量的光子带隙效应，经由角度分辨透射和反射光谱验证。
• P-和S-偏振光下，模拟与实测光学响应表现出良好一致性，验证了模拟模型的可靠性。
• 在三维RCD结构中采用低折射率聚合物，使得在近红外波段可检测到光子带隙行为。
• 角度分辨傅里叶图像光谱技术成功可视化了复杂三维光子晶体的能带结构。
• 结果表明，利用双光子聚合技术可在低折射率材料中制备具有可调光学特性的功能光子晶体。