Vad är fotoniska kristaller och vad är några av deras applikationer?

Wow, ber mig att täcka ett helt doktorandmaterial i ett Quora-svar. Det skulle vara mycket enklare om jag bara kunde rita i svaret. Jag hoppar över all matematik som är inblandad (t.ex. Blochs teorem) och visar bara exempel.

Låt oss börja med en definition:
En fotonisk kristall är en periodisk struktur i ett optiskt medium, vilken struktur skapar ovanliga optiska dispersionsegenskaper.

En sådan struktur kan vara periodisk i en enda dimension, två dimensioner eller tre dimensioner.

Den periodiska karaktären hos strukturen gör att dispersionsförhållandet (förhållandet mellan frekvens och våglängd) är periodiskt och har en bandstruktur.

Vid k = pi / a upprepar mönstret sig, vilket betyder att k = 2pi / a kommer att motsvara k = 0.


Endimensionella fotoniska kristaller:
Oftast kallas de gitter eller Bragg gitter.
Den vanligaste användningen är som en reflekterande struktur, eftersom denna periodiska struktur har ett bandgap (se figuren ovan för bandstruktur).

Det stämmer, ett fiberbragggaller är en endimensionell fotonisk kristall.

Andra 1-dimensionella fotoniska kristaller kan användas som kopplingar:

Konstruktionens ovanliga spridningsegenskaper (frekvens kontra våglängd) gör att ljuset från den inmatade fibern bryts i en udda vinkel in i vågledaren. Det kan beräknas med diffraktion som mekanismen (och det har historiskt sett), men det är en likvärdig metod att betrakta den som en fotonisk kristall, i vilken den "framåt" -komponenten i k vektorn är ekvivalent med periodicitet till önskad framåt k vektor av vågledaren.

Vissa grupper använder "bragg reflector" -konceptet för att göra optiska fibrer med ihålig kärna för högeffektiva CO2-lasrar, som de som används vid kirurgi:

Den ihåliga kärnan innebär att det inte finns någon spridning i fibern på grund av icke-linjära effekter och ger totalt sett mycket lägre förluster vid överföring av laserljus med hög effekt.


Tvådimensionella fotoniska kristaller

Dessa tillverkas vanligtvis med en enkel plan tillverkningsprocess i ett lager. De studeras mer än 3d fotoniska kristaller så vitt jag förstår, främst för att de är så mycket lättare att analysera.

Här är ett exempel på bandstruktur för en fotonisk kristalldesign:

båda representerar samma bandstruktur, den till höger är bara ett spår som går från mitten till k = (pi / a, 0), till k = (pi / a, pi / a) och tillbaka till mitten.

Hålens positioner, hålens storlek och alla andra 2-d-aspekter av strukturen är det som bestämmer dess bandstruktur. Vissa har bandgap, andra inte.

En av de mer typiska undersökta tillämpningarna av 2-d fotoniska kristaller är att ha en "linjär defekt" (det vill säga en linjär sektion som inte har strukturen) att använda som en vågledare - allt ljus som är i det fotoniska bandgapet kommer att ingå i den linjedefekten, eftersom själva strukturen inte kan stödja vågor som sprider sig genom den.

allt inneslutet ljus kommer att ha det dispersionsförhållande som beskrivs av defektbandet

Att lägga till punktdefekter (t.ex. göra ett enda hål för stort eller för litet) kommer att orsaka defektband som motsvarar "dopning" i en halvledare. Ljus vid frekvenser som resonerar på dessa punktfel kopplas in och ut ur defekten.

I det här fallet kan bara ljuset som resonerar på dessa punktfel passera.
Andra exempel på detta inkluderar ett par parallella vågledare med punktdefekter mellan dem, som endast tillåter en enda våglängd att läcka ut från en vågledare och in i den andra, som ett filter för kanaltillägg / släpp för optiska nätverk.

Punktdefekter kan också användas för substansanalys (tillsats av en gas eller vätska ändrar punktdefektens egenskaper och ändrar därför den optiska utsignalen, som kan analyseras för detektering av en viss substans).

Men utan att använda bandgap och kristallfel ger deras intressanta dispersionsegenskaper andra mycket intressanta applikationer.

En sådan applikation är Superprism:

En annan använder dess ovanliga egenskaper för att åstadkomma en negativ brytning, som är nödvändigt för att skapa en superlens:

med normal brytning skulle sektionen inuti kristallen böjas upp, inte ner.
Nej, det är inte detsamma som ett metamaterial eftersom det härrör från en annan mekanism.

Några andra intressanta idéer inkluderar en superkollimator:

Detta diagram är vettigt för mig att ha studerat det, men kanske inte för dig. Den grundläggande förutsättningen är att i denna PC-struktur, så länge ljuset kommer in inom ett visst vinkelområde, kommer det alla att hamna i samma vinkel i kristallen. Det finns ingen Gaussisk stråle som sprider sig inuti en superkollimerande fotonisk kristall, vilket hypotetiskt kan möjliggöra dirigering av signaler i en rak linje utan behov av en vågledande struktur.

En annan vanligare applikation är att använda ett fotoniskt bandgap för att skapa en optisk fiber med en ihålig kärna, ungefär som 1-d fotonisk kristall med en ihålig kärna endast med ett bredare band och möjliggöra mer intressanta applikationer som gasanalys.


Det finns tredimensionella fotoniska kristaller också, men jag har inte haft en chans att verkligen studera vad de kan göra. De visar samma ovanliga dispersionsegenskaper, men med tanke på att Brillouin-zonen är 3-dimensionell istället för 3-dimensionell blir det svårare att analysera.


Naturligt förekommande fotoniska kristaller

Det finns ett antal naturligt förekommande fotoniska kristaller. De ger upphov till intressanta egenskaper som iridescens och opalescens:

Jag hoppas att detta var tillräckligt för att hjälpa dig att förstå varför vi bryr oss om att studera fotoniska kristaller (tips: det är inte bara för att de är vackra) och ger dig tillräckligt för att bli nyfiken på hur man faktiskt utformar och använder fotoniska kristaller.

Lämna en kommentar