Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям
Объёмные наноструктурированные материалы для фотоники
жүктеу/скачать 12,63 Mb. Pdf көрінісі
|
Nanomateriali i nanotehnologii bak
| 1.3.6. Объёмные наноструктурированные материалы для фотоники
Фотонные кристаллы В середине 70 годов прошлого века была высказана идея о создании оптической зонной структуры, в которой существуют разрешенные и запрещенные состояния для фотонов. Среда, в которой роль периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости или показателя преломления в волноводной среде. Фотонный кристалл является сверхрешеткой - средой, в которой искусственно создано дополнительное поле, с периодом превышающем на порядки период кристаллической решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды – в одном, двух и трех измерениях. Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в обычной кристаллической решетки. Фотонные кристаллы являются искусственно созданными структурами, состоящими из высокоупорядоченных, одно - двух или трехмерных пространственно выровненных объектов. Эти объекты характеризуются периодической модуляцией диэлектрической проницаемости по длине, сравнимой с длиной рабочих электромагнитных волн. Такие нано - и микро- структурированные материалы имеют фотооптическую запрещенную зону , в пределах которой в кристаллах запрещено прохождение ряда длин волн. Фотонные кристаллы перспективны для управления спонтанной эмиссией в лазерах. В фотонных кристаллах диэлектрические частицы образуют решетку с расстояниями между частицами, сравнимыми с длиной волны видимого света. В 1987 году Яблонович и Джон предложили создать решетку с такими расстояниями в ней, при которых свет претерпевал бы Брегговское отражение. Такое отражение возникает в рентгеновском диапазоне при падении рентгеновских лучей на кристаллическую решетку. Условие Вульфа- Брега для дифракционных максимумов: 2 sin d k . Если разность хода двух волн, отразившихся от соседних плоскостей, составляет половину длины волны: 2 sin 2 d (это условие минимума), то в результате интерференции отраженных волн они гасятся, и не могут 57 распространятся в решетке. Это приводит к возникновению фотооптической щели. Для видимого света расстояние между частицами должно быть около полмикрона 0.5 мкм=500 нм. На рис. 1.39. показан пример двумерного кристалла образованного диэлектрическими стерженьками, упорядоченными в двумерную решетку. Рис. 1.39. Искусственный двумерный кристалл для фотоники, созданный решеткой диэлектрических цилиндров.[1] Рис. 1.40. Часть дисперсионной кривой для поперечных магнитных мод кристалла для фотоники, созданного квадратной решеткой стержней из оксида алюминия.[1] На рис. 1.40. показаны: область нулевой интенсивности света - щель (фотооптическая запрещенная зона); ниже щели интенсивность свет большая, и эта зона называется диэлектрической зоной (аналог валентная зона); выше щели интенсивность света низкая, это волновая зона. Если теперь ввести линейный дефект - отсутствие одного ряда стержней. Эта область становится волноводным каналом, что приводит к появлению к разрешению частоты в щели (запрещенной зоне). Это аналогично, введению примесей n - p - типа в полупроводниках. Физическая природа образования щели разная, для фотоники и электроники, а эффект тот же. Путем удаления одного стержня или изменения его радиуса также можно создать резонансную полость, что создает уровень в фотооптической запрещенной зоне. Частота этого уровня зависит от радиуса. Такие структуры способны управлять плотностью доступных для излучаемого фотона мод электромагнитных колебаний и коэффициентом связи между атомом и фотоном. Такие кристаллы могут работать как фильтры и связующие устройства в лазерных системах. На рис. 1.41. в виде линии показаны моды волновода, созданные уровнем в запрещенной зоне. 58 Рис. 1.41. Влияние удаления одного ряда стержней из квадратной решетки приводит к появлению уровня в запрещенной зоне со свойствами волновода.[1]. Фотонные кристаллы образуются из нанокластеров с размерами сравнимыми с размером длиной волны света. Они имеют периодически меняющийся коэффициент отражения, что позволяет изменять оптические свойства материала. Одномерные наноструктуры используются как интерференционные фильтры. Трехмерные фотонные наноструктуры обладают фотонной щелью с диапазоном частот, в котором фотон не может распространятся внутрь кристалла. Он упруго отражается от нанокристаллического слоя и движется как в волноводе. Создание фотонных кристаллов с фотооптической запрещенной зоной (фотонная щель) Собирают сферы субмикронного размера в гранецентрированную решетку путем спекания. В результате получают наноматериал – синтетический опал, включающий монокристаллические сферы окиси кремния 2 SiO . Опал – смесь кристаллического и аморфного кремнезема 2 2 SiO nH O . После выщелачивания сфер 2 SiO образуется пористая структура - нанокристаллический опал, в котором кремний включается в упорядоченную структуру пустот. См.рис. 1.42. Рис. 1.42. Сечение нанокристалла, образованного после фильтрации кремния (серое поле) в структуру опала и выщелачивание сфер 2 SiO . [2] 59 Если полупроводник обладает коэффициентом отражения >2.85, то такая структура будет обладать фотонной щелью. Возможно создание фотонных кристаллов на основе , , GaS InS GaP , способных к интенсивному испускания света. Трехмерные голографические фотонные кристаллы, работающие в оптическом окне связи Существует голографический метод изготовления шестислойных гранецентрированных кубических полимерных фотонных кристаллов субмикронного диапазона, основанный на использовании многоугольных призм, и на применении обоих типов фоторезистов - негативного и позитивного. Идея метода заключается в управлении направлением распространения фазой и поляризацией сразу нескольких лазерных лучей. Это формирует требуемое трехмерное лазерное интерференционное изображение, которое используется для облучения фоточувствительного материала. Таким образом, можно сконструировать все 14 типов решеток Браве. При использовании преломляющих линз получена полоса пропускания в S C диапазоне длин волн 1460-1565 нм в направлении [111]. Применялся УФ He Cd лазер с длиной волны 325 нм и интенсивностью 5 мВт/см2. см. рис.1.43. Эффект «суперпризмы» – аномальное преломление излучения на границе жүктеу/скачать 12,63 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|