Войти
опал в этом браслете содержит естественный периодический микроструктура, отвечающая за его переливающийся цвет. По сути, это естественный фотонный кристалл. 
Крылья некоторых бабочек содержат фотонные кристаллы. A фотонный кристалл - периодическая оптическая наноструктура, которая влияет на движение фотоны во многом так же, как ионные решетки влияют на электроны в твердых телах. Фотонные кристаллы встречаются в природе в форме структурной окраски и отражателей животных, и в различных формах обещают быть полезными в ряде приложений.
В 1887 году английский физик лорд Рэлей экспериментировал с периодическими многослойными диэлектрическими пакетами, показав, что у них есть фотонная запрещенная зона в одном измерении. Интерес к исследованиям вырос в 1987 г. с работой Эли Яблоновича и Саджива Джона по периодическим оптическим структурам с более чем одним измерением, которые теперь называются фотонными кристаллами.
Фотонные кристаллы могут быть изготовлены в одном, двух или трех измерениях. Одномерные фотонные кристаллы могут состоять из слоев, наплавленных или склеенных. Двумерные изображения можно получить с помощью фотолитографии или путем сверления отверстий в подходящей подложке. Способы изготовления трехмерных включают сверление под разными углами, наложение нескольких двухмерных слоев друг на друга, прямая лазерная запись или, например, инициирование самосборки сфер в матрице и растворение сфер.
Фотонные кристаллы, в принципе, могут найти применение везде, где нужно манипулировать светом. Существующие области применения включают тонкопленочную оптику с покрытиями для линз. Двумерные фотонно-кристаллические волокна используются в нелинейных устройствах и для направления волн экзотических длин. Трехмерные кристаллы однажды могут быть использованы в оптических компьютерах. Трехмерные фотонные кристаллы могут привести к созданию более эффективных фотоэлектрических элементов в качестве источника энергии для электроники, тем самым сокращая потребность в электрическом вводе для питания.
Фотонные кристаллы состоят из периодического диэлектрика, металло-диэлектрика - или даже сверхпроводниковые микроструктуры или наноструктуры, которые влияют на распространение электромагнитной волны так же, как периодический потенциал в полупроводнике кристалл воздействует на электроны, определяя разрешенные и запрещенные электронные энергетические зоны. Фотонные кристаллы содержат регулярно повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрической постоянной. Фотоны (действующие как волны) либо распространяются через эту структуру, либо нет, в зависимости от их длины волны. Распространяющиеся длины волн называются модами, а группы разрешенных мод образуют полосы. Запрещенные полосы длин волн называются фотонными запрещенными зонами. Это приводит к возникновению различных оптических явлений, таких как подавление спонтанного излучения, всенаправленные зеркала с высокой отражающей способностью и волноводные с низкими потерями. Интуитивно можно понять, что запрещенная зона фотонных кристаллов возникает из-за деструктивной интерференции многократных отражений света, распространяющегося в кристалле на границах раздела областей с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью, сродни запрещенной зоне электронов в твердых телах.
Периодичность структуры фотонного кристалла должна составлять примерно половину длины волны электромагнитных волн, чтобы дифрагировала. Это от ~ 350 нм (синий) до ~ 650 нм (красный) для фотонных кристаллов, которые работают в видимой части спектра - или даже меньше, в зависимости от среднего показателя преломления. Следовательно, повторяющиеся области с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью должны изготавливаться в таком масштабе, что является трудным.
Фотонные кристаллы изучаются в той или иной форме с 1887 года, но никто не использовал термин фотонный кристалл до более чем 100 лет спустя - после Эли Яблоновича и Саджив Джон опубликовал две важные статьи о фотонных кристаллах в 1987 году. Ранняя история хорошо задокументирована в форме рассказа, когда American Physical Physics назвал ее одним из важнейших достижений в физике. Общество.
До 1987 г. одномерные фотонные кристаллы в виде периодических многослойных диэлектрических стопок (таких как брэгговское зеркало ) широко изучались. Лорд Рэлей начал свое исследование в 1887 году, показав, что такие системы имеют одномерную фотонную запрещенную зону, спектральный диапазон с большой отражательной способностью, известный как стоп-зона. Сегодня такие структуры используются в широком спектре приложений - от отражающих покрытий до повышения эффективности светодиодов и до зеркал с высокой отражающей способностью в определенных лазерных резонаторах (см., Например, VCSEL ). Полосы пропускания и заграждения в фотонных кристаллах были впервые доведены до практики Мелвином М. Вайнером, который назвал эти кристаллы «дискретной фазоупорядоченной средой». Мелвин М. Вайнер достиг этих результатов, расширив динамическую теорию Дарвина для дифракции рентгеновских лучей Брэгга на произвольные длины волн, углы падения и случаи, когда фронт падающей волны в плоскости решетки заметно рассеивается в рассеянном вперед направление. Детальное теоретическое исследование одномерных оптических структур было выполнено автором, который первым исследовал влияние фотонной запрещенной зоны на спонтанное излучение атомов и молекул, встроенных в фотонную структуру. Быков также размышлял о том, что могло бы случиться, если бы использовались двух- или трехмерные периодические оптические структуры. Концепция трехмерных фотонных кристаллов была затем обсуждена Отакой в 1979 году, который также разработал формализм для расчета структуры фотонной зоны. Однако эти идеи не взлетели до тех пор, пока в 1987 году Яблонович и Джон не опубликовали две важные статьи. Обе эти работы касались периодических оптических структур большой размерности, т.е. фотонных кристаллов. Основная цель Яблоновича заключалась в разработке фотонной плотности состояний для управления спонтанным излучением материалов, встроенных в фотонный кристалл. Идея Джона заключалась в том, чтобы использовать фотонные кристаллы для воздействия на локализацию и контроль света.
После 1987 года количество исследовательских работ, касающихся фотонных кристаллов, начало экспоненциально расти. Однако из-за сложности изготовления этих структур в оптических масштабах (см. Проблемы изготовления ) ранние исследования были либо теоретическими, либо в микроволновом режиме, где фотонные кристаллы могут быть построены в более доступном сантиметровом масштабе. (Этот факт связан с свойством электромагнитных полей, известным как масштабная инвариантность. По сути, электромагнитные поля, как решения уравнений Максвелла, не имеют естественного масштаба длины, поэтому решения для структуры сантиметрового масштаба на микроволновых частотах такие же, как для структур нанометрового масштаба на оптических частотах.)
К 1991 году Яблонович продемонстрировал первую трехмерную фотонную запрещенную зону в микроволновом режиме. Структура, которую удалось создать Яблоновичу, включала просверливание множества отверстий в прозрачном материале, причем отверстия каждого слоя образуют обратную алмазную структуру - сегодня она известна как Яблоновит.
В 1996 году Томас Краусс продемонстрировал двумерный фотонный кристалл в оптических длинах волн. Это открыло путь для изготовления фотонных кристаллов в полупроводниковых материалах путем заимствования методов из полупроводниковой промышленности.
Сегодня в таких технологиях используются пластины фотонных кристаллов, которые представляют собой двумерные фотонные кристаллы, «вытравленные» в пластинах полупроводника. Полное внутреннее отражение ограничивает свет до плиты и допускает эффекты фотонного кристалла, такие как инженерная фотонная дисперсия в плите. Исследователи во всем мире ищут способы использования фотонно-кристаллических пластин в интегрированных компьютерных микросхемах, чтобы улучшить оптическую обработку связи - как внутри кристалла, так и между кристаллами.
Технология изготовления автоклонирования, предложенная для инфракрасного и фотонные кристаллы видимого диапазона Сато и др. в 2002 году используется электронно-лучевая литография и сухое травление : литографически сформированные слои периодических канавок накладываются друг на друга посредством регулируемого напыления и травления, в результате чего получается «стационарное» гофры »и периодичность. Диоксид титана / диоксид кремния и пентоксид тантала / диоксид кремния были произведены с использованием их дисперсионных характеристик и пригодности для напыления.
Такие методы имеют пока не достигли коммерческого уровня применения, но двумерные фотонные кристаллы коммерчески используются в фотонно-кристаллических волокнах (также известных как дырявые волокна из-за воздушных отверстий, которые проходят через них). Фотонно-кристаллические волокна были впервые разработаны Филипом Расселом в 1998 году и могут быть сконструированы так, чтобы обладать улучшенными свойствами по сравнению с (обычными) оптическими волокнами.
. Исследование в трехмерном пространстве продвигалось медленнее, чем в двух. -мерные фотонные кристаллы. Это связано с более сложным изготовлением. Изготовление трехмерных фотонных кристаллов не имело унаследованных технологий полупроводниковой промышленности. Тем не менее, были предприняты попытки адаптировать некоторые из тех же методов, и были продемонстрированы довольно продвинутые примеры, например, в конструкции «поленницы», построенной на плоской послойной основе. Другое направление исследований - это попытка построить трехмерные фотонные структуры путем самосборки - по существу, позволяя смеси диэлектрических наносфер оседать из раствора в трехмерно-периодические структуры, имеющие фотонную запрещенную зону. Группа Василия Астратова из Института Иоффе в 1995 году осознала, что природные и синтетические опалы представляют собой фотонные кристаллы с неполной запрещенной зоной. Первая демонстрация структуры «обратного опала» с полной фотонной запрещенной зоной была проведена в 2000 году исследователями из Университета Торонто, Канада, и Института материаловедения Мадрида (ICMM-CSIC), Испания. Постоянно расширяющаяся область биомиметики - изучение природных структур с целью лучшего понимания и использования их в дизайне - также помогает исследователям фотонных кристаллов. Например, в 2006 году в чешуе бразильского жука был обнаружен естественный фотонный кристалл. Аналогичным образом, в 2012 году кристаллическая структура алмаза была обнаружена у долгоносика, а архитектура типа гироида - у бабочки.
Метод изготовления зависит от количества измерений, в которых запрещена фотонная зона. должен существовать в.
Сравнение 1D, 2D и 3D структур фотонного кристалла (слева направо, соответственно).
Схема одномерной фотонно-кристаллической структуры, состоящей из чередующихся слоев материала с высокой диэлектрической постоянной и материала с низкой диэлектрической проницаемостью. Эти слои обычно имеют толщину в четверть длины волны.
2D фотонно-кристаллическая структура в квадратной матрице.
Схема двумерного фотонного кристалла из круглых отверстий.
Трехмерный фотонный кристалл со структурой поленницы. Эти структуры имеют трехмерную запрещенную зону для всех поляризаций.
В одномерном фотонном кристалле слои с разной диэлектрической проницаемостью могут быть нанесены или склеены вместе, чтобы сформировать запрещенную зону в единственное направление. Брэгговская решетка является примером такого типа фотонного кристалла. Одномерные фотонные кристаллы могут быть либо изотропными, либо анизотропными, причем последние потенциально могут использоваться в качестве оптического переключателя.
Одномерный фотонный кристалл может образовываться как бесконечное количество параллельных чередующихся слоев, заполненных метаматериалом . и вакуум. Это создает идентичные структуры фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) для TE- и TM-мод.
Недавно исследователи изготовили брэгговскую решетку на основе графена (одномерный фотонный кристалл) и продемонстрировали, что она поддерживает возбуждение поверхностных электромагнитных волн в периодическая структура с использованием гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм в качестве источника света. Кроме того, был предложен новый тип одномерного фотонного кристалла графен-диэлектрик. Эта структура может действовать как фильтр дальней ИК-области и может поддерживать поверхностные плазмоны с низкими потерями для волноводов и датчиков. Одномерные фотонные кристаллы, легированные биоактивными металлами (т.е. серебром ), также были предложены в качестве сенсорных устройств для бактериальных загрязнителей. Подобные планарные одномерные фотонные кристаллы из полимеров использовались для обнаружения паров летучих органических соединений в атмосфере. Помимо твердофазных фотонных кристаллов, некоторые жидкие кристаллы с определенным упорядочением могут демонстрировать фотонный цвет. Например, исследования показали, что несколько жидких кристаллов с ближним или дальним одномерным позиционным упорядочением могут образовывать фотонные структуры.
В двух измерениях дырки могут быть просверлены в подложке, прозрачной для излучения с длиной волны, которую запрещенная зона предназначена для блокировки. Успешно применяются треугольные и квадратные решетки отверстий.
Дырявое волокно или фотонно-кристаллическое волокно можно изготовить, взяв цилиндрические стеклянные стержни в гексагональной решетке, а затем нагревая и растягивая их, создавая треугольные воздушные зазоры. между стеклянными стержнями становятся отверстия, ограничивающие режимы.
Было построено несколько типов структур:
Фотонно-кристаллическое волокно. SEM изображения волокна, произведенного US NRL. (слева) Диаметр твердой сердцевины в центре волокна составляет 5 мкм, а (справа) диаметр отверстий составляет 4 мкм. Источник: http://www.nrl.navy.mil/techtransfer/fs.php?fs_id=97 
Изображение SEM самосборного PMMA фотонный кристалл в двух измерениях Не только запрещенная зона, фотонные кристаллы могут иметь другой эффект, если мы частично устраним симметрию путем создания резонатора наноразмеров . Этот дефект позволяет направлять или улавливать свет с той же функцией, что и нанофотонный резонатор , и он характеризуется сильной диэлектрической модуляцией в фотонных кристаллах. Для волновода распространение света зависит от контроля в плоскости, обеспечиваемого фотонной запрещенной зоной, и от длительного удержания света, вызванного диэлектрическим рассогласованием. В случае световой ловушки свет сильно удерживается в полости, что приводит к дальнейшему взаимодействию с материалами. Во-первых, если мы поместим импульс света внутрь резонатора, он будет задержан на нано- или пикосекунды, и это пропорционально добротности резонатора. Наконец, если мы поместим излучатель внутрь полости, излучение света также может быть значительно усилено, и даже резонансная связь может проходить через колебания Раби. Это связано с квантовой электродинамикой резонатора, и взаимодействия определяются слабой и сильной связью эмиттера и резонатора. Первые исследования резонатора в одномерных фотонных пластинах обычно проводятся в структурах решеток или распределенной обратной связи. Для двумерных фотонно-кристаллических резонаторов они полезны для создания эффективных фотонных устройств в телекоммуникационных приложениях, поскольку они могут обеспечить очень высокий коэффициент качества до миллионов с меньшим, чем длина волны объемом моды. Для трехмерных фотонно-кристаллических полостей было разработано несколько методов, включая послойную литографию, поверхностную ионно-лучевую литографию и метод микроманипуляции. Все упомянутые фотонно-кристаллические полости, которые плотно ограничивают свет, предлагают очень полезные функции для интегральных фотонных схем, но сложно изготовить их таким образом, чтобы их можно было легко перемещать. Нет полного контроля над созданием резонатора, расположением резонатора и положением излучателя относительно максимального поля резонатора, пока исследования для решения этих проблем все еще продолжаются. Подвижная полость из нанопроволоки в фотонных кристаллах - одно из решений для адаптации этого взаимодействия с легкой материей.
Изготовление фотонных кристаллов больших размеров сталкивается с двумя основными проблемами:
Одним из многообещающих методов изготовления двумерно-периодических фотонных кристаллов является фотонно-кристаллическое волокно, типа дырявого волокна. Используя методы вытяжки волокна, разработанные для коммуникационного волокна, оно удовлетворяет этим двум требованиям, и фотонно-кристаллические волокна коммерчески доступны. Другой перспективный метод создания двумерных фотонных кристаллов - это так называемая фотонная кристаллическая пластина. Эти структуры состоят из пластинки материала, такого как кремний, который может быть сформирован с использованием методов полупроводниковой промышленности. Такие чипы дают возможность сочетать фотонную обработку с электронной обработкой на одном чипе.
Для трехмерных фотонных кристаллов использовались различные методы, включая фотолитографию и методы травления, аналогичные тем, которые используются для интегральных схем. Некоторые из этих методов уже коммерчески доступны. Чтобы избежать сложного механизма нанотехнологических методов, некоторые альтернативные подходы включают выращивание фотонных кристаллов из коллоидных кристаллов в виде самоорганизующихся структур.
Массовые трехмерные фотонно-кристаллические пленки и волокна теперь могут быть получены с использованием техники сборки сдвигом, при которой сферы коллоидного полимера размером 200–300 нм складываются в идеальные пленки с решеткой fcc. Поскольку частицы имеют более мягкое прозрачное резиновое покрытие, пленки можно растягивать и формовать, настраивая фотонную запрещенную зону и создавая поразительные структурные цветовые эффекты.
Фотонная запрещенная зона (PBG) - это, по существу, зазор между воздушной линией и диэлектрической линией в дисперсионном соотношении PBG система. Для проектирования фотонно-кристаллических систем важно спроектировать расположение и размер запрещенной зоны путем компьютерного моделирования с использованием любого из следующих методов:
Воспроизведение мультимедиа Видео-моделирование сил и полей рассеяния в структуре фотонного кристалла По существу, эти методы определяют частоты (нормальные моды) фотонного кристалла для каждого значения направления распространения, заданного волновым вектором, или наоборот. Различные линии в полосовой структуре соответствуют различным случаям n, индекса полосы. Для введения в структуру фотонных зон см. Книги К. Сакоды и Джоаннопулоса.
Зонная структура одномерного фотонного кристалла, воздушное ядро РБО, рассчитанное с использованием метода расширения плоских волн с 101 плоской волной, для d / a = 0,8 и диэлектрического контраста 12,250. Расширение плоской волны может использоваться для расчета полосовой структуры с использованием формулировки eigen уравнений Максвелла и, таким образом, решения для собственных частот для каждого из направлений распространения волновых векторов. Это непосредственно решает диаграмму дисперсии. Значения напряженности электрического поля также могут быть рассчитаны в пространственной области задачи с использованием собственных векторов той же задачи. Для изображения, показанного справа, соответствует зонной структуре одномерного распределенного брэгговского отражателя (DBR ) с воздушной сердцевиной, перемежающейся диэлектрическим материалом с относительной диэлектрической проницаемостью 12,25, и периодом решетки относительно воздуха. Отношение толщины сердцевины (d / a), равное 0,8, решается с использованием 101 плоской волны над первой неприводимой зоной Бриллюэна.
Для ускорения расчета структуры полосы частот Уменьшенное расширение блоховской моды (RBME) Метод можно использовать. Метод RBME применяется «поверх» любого из упомянутых выше основных методов расширения. Для моделей больших элементарных ячеек метод RBME может сократить время вычисления зонной структуры до двух порядков.
Фотонные кристаллы представляют собой привлекательные оптические материалы для управления световым потоком и управления им. Одномерные фотонные кристаллы уже широко используются в форме тонкопленочной оптики, начиная от покрытий с низким и высоким отражением на линзах и зеркалах до красок, меняющих цвет и <138.>чернила. Высокомерные фотонные кристаллы представляют большой интерес как для фундаментальных, так и для прикладных исследований, а двумерные начинают находить коммерческое применение.
Первые коммерческие продукты, включающие двумерно-периодические фотонные кристаллы, уже доступны в форме фотонно-кристаллических волокон, в которых используется микромасштабная структура для ограничения света с кардинально другими характеристиками по сравнению с обычными оптическое волокно для применения в нелинейных устройствах и для управления экзотическими длинами волн. Трехмерные аналоги еще далеки от коммерциализации, но могут предлагать дополнительные функции, такие как оптическая нелинейность, необходимая для работы оптических транзисторов, используемых в оптических компьютерах, когда некоторые технологические аспекты, такие как технологичность и основные трудности, такие как беспорядок, находятся под контролем.
В дополнение к вышесказанному, фотонные кристаллы были предложены в качестве платформы для разработки солнечных элементов и оптических биосенсоров.
 | Викискладе есть материалы, связанные с Фотонными кристаллами. |
