Kryształ fotoniczny: Różnice pomiędzy wersjami
| [wersja przejrzana] | [wersja przejrzana] |
m int. |
m uściślenie |
||
| Linia 7: | Linia 7: | ||
[[Faza krystaliczna|Kryształy]] fotoniczne zwykle wytwarzane są w laboratoriach, ale występują również w przyrodzie (np. [[Opal (minerał)|opal]]). Koncepcja stworzenia kryształów fotonicznych powstała jednocześnie w [[1987]] w dwóch ośrodkach badawczych na terenie [[Stany Zjednoczone|USA]]. Pierwszy – [[Eli Yablonovitch]] (Bell Communications Research w [[New Jersey]]) pracował nad materiałami dla [[tranzystor]]ów fotonicznych – sformułował pojęcie '''fotoniczna przerwa wzbroniona''' ([[język angielski|ang.]] ''photonic bandgap''). W tym samym czasie – [[Sajeev John]] (Priceton University) pracował nad zwiększeniem wydajności [[laser]]ów stosowanych w [[telekomunikacja|telekomunikacji]] – odkrył tę samą przerwę. W [[1991]] roku [[Eli Yablonovith]] uzyskał pierwszy kryształ fotoniczny. W [[1997]] roku opracowana została masowa metoda wytwarzania kryształów ([[Shanhui Fan]], [[John D. Joannopoulos]]). |
[[Faza krystaliczna|Kryształy]] fotoniczne zwykle wytwarzane są w laboratoriach, ale występują również w przyrodzie (np. [[Opal (minerał)|opal]]). Koncepcja stworzenia kryształów fotonicznych powstała jednocześnie w [[1987]] w dwóch ośrodkach badawczych na terenie [[Stany Zjednoczone|USA]]. Pierwszy – [[Eli Yablonovitch]] (Bell Communications Research w [[New Jersey]]) pracował nad materiałami dla [[tranzystor]]ów fotonicznych – sformułował pojęcie '''fotoniczna przerwa wzbroniona''' ([[język angielski|ang.]] ''photonic bandgap''). W tym samym czasie – [[Sajeev John]] (Priceton University) pracował nad zwiększeniem wydajności [[laser]]ów stosowanych w [[telekomunikacja|telekomunikacji]] – odkrył tę samą przerwę. W [[1991]] roku [[Eli Yablonovith]] uzyskał pierwszy kryształ fotoniczny. W [[1997]] roku opracowana została masowa metoda wytwarzania kryształów ([[Shanhui Fan]], [[John D. Joannopoulos]]). |
||
Obecnie wytwarzane są struktury fotoniczne z przerwą fotoniczną dla [[długość fali|długości fal]] [[fala elektromagnetyczna|elektromagnetycznych]] z zakresu widzialnego (400–700 [[nanometr|nm]]). Przerwa fotoniczna występuje dla fal o długościach zbliżonych do okresu rozkładu współczynnika załamania – w przypadku fal widzialnych oznacza to, że na jeden okres rozkładu współczynnika załamania przypada ilość rzędu 1000 warstw atomowych. Występowanie fotonicznej [[przerwa wzbroniona|przerwy wzbronionej]] jest analogiczne jak w przypadku [[półprzewodnik]]ów ([[Równanie Schrödingera]]). Kryształy fotoniczne wytwarzane są m.in. z [[krzem]]u, również porowatego. Ze względu na budowę, kryształy fotoniczne dzieli się na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostsza struktura to struktura jednowymiarowa. Jest to w istocie zwierciadło [[William Lawrence Bragg|Bragga]] złożone z wielu warstw na przemian o dużym i małym współczynniku załamania światła. Zwierciadło Bragga działa jak |
Obecnie wytwarzane są struktury fotoniczne z przerwą fotoniczną dla [[długość fali|długości fal]] [[fala elektromagnetyczna|elektromagnetycznych]] z zakresu widzialnego (400–700 [[nanometr|nm]]). Przerwa fotoniczna występuje dla fal o długościach zbliżonych do okresu rozkładu współczynnika załamania – w przypadku fal widzialnych oznacza to, że na jeden okres rozkładu współczynnika załamania przypada ilość rzędu 1000 warstw atomowych. Występowanie fotonicznej [[przerwa wzbroniona|przerwy wzbronionej]] jest analogiczne jak w przypadku [[półprzewodnik]]ów ([[Równanie Schrödingera]]). Kryształy fotoniczne wytwarzane są m.in. z [[krzem]]u, również porowatego. Ze względu na budowę, kryształy fotoniczne dzieli się na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostsza struktura to struktura jednowymiarowa. Jest to w istocie zwierciadło [[William Lawrence Bragg|Bragga]] złożone z wielu warstw na przemian o dużym i małym współczynniku załamania światła. Zwierciadło Bragga działa jak optyczny filtr pasmowy, pewne częstotliwości są odbijane, a inne przepuszczane. Jeżeli ''zwiniemy'' [[zwierciadło Bragga]] w rurkę to otrzymamy strukturę dwuwymiarową. |
||
Do modelowania pola elektromagnetycznego w kryształach fotonicznych stosuje się wiele metod znanych z innych dziedzin optyki czy elektrodynamiki. Wymienić tu można: metodę fal płaskich – PWM ([[język angielski|ang.]] ''Plane wave method''), metodę różnic skończonych w dziedzinie czasu FDTD (z ang. ''Finite Difference Time Domain''), polegającą na numerycznym rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla [[pole elektryczne|pola elektrycznego]] i [[pole magnetyczne|pola magnetycznego]], metodę momentów, wraz z jej licznymi odmianami, a także inne liczne metody półanalityczne i w pełni analityczne. Jak do tej pory, analityczne rozwiązanie równań Maxwella zostało znalezione tylko w najprostszym, jednowymiarowym krysztale fotonicznym. |
Do modelowania pola elektromagnetycznego w kryształach fotonicznych stosuje się wiele metod znanych z innych dziedzin optyki czy elektrodynamiki. Wymienić tu można: metodę fal płaskich – PWM ([[język angielski|ang.]] ''Plane wave method''), metodę różnic skończonych w dziedzinie czasu FDTD (z ang. ''Finite Difference Time Domain''), polegającą na numerycznym rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla [[pole elektryczne|pola elektrycznego]] i [[pole magnetyczne|pola magnetycznego]], metodę momentów, wraz z jej licznymi odmianami, a także inne liczne metody półanalityczne i w pełni analityczne. Jak do tej pory, analityczne rozwiązanie równań Maxwella zostało znalezione tylko w najprostszym, jednowymiarowym krysztale fotonicznym. |
||
Wersja z 23:38, 10 sty 2013
Kryształ fotoniczny – optyczna nanostruktura o periodycznie zmieniającym się współczynniku załamania światła, która wpływa na ruch fotonów podobnie jak struktura krystaliczna półprzewodnika na ruch elektronów.
Kryształy fotoniczne występują w naturze lub mogą być wytwarzane sztucznie. W krysztale fotonicznym, podobnie jak w półprzewodniku może wystąpić fotoniczna przerwa zabroniona.
Kryształy fotoniczne zwykle wytwarzane są w laboratoriach, ale występują również w przyrodzie (np. opal). Koncepcja stworzenia kryształów fotonicznych powstała jednocześnie w 1987 w dwóch ośrodkach badawczych na terenie USA. Pierwszy – Eli Yablonovitch (Bell Communications Research w New Jersey) pracował nad materiałami dla tranzystorów fotonicznych – sformułował pojęcie fotoniczna przerwa wzbroniona (ang. photonic bandgap). W tym samym czasie – Sajeev John (Priceton University) pracował nad zwiększeniem wydajności laserów stosowanych w telekomunikacji – odkrył tę samą przerwę. W 1991 roku Eli Yablonovith uzyskał pierwszy kryształ fotoniczny. W 1997 roku opracowana została masowa metoda wytwarzania kryształów (Shanhui Fan, John D. Joannopoulos).
Obecnie wytwarzane są struktury fotoniczne z przerwą fotoniczną dla długości fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego (400–700 nm). Przerwa fotoniczna występuje dla fal o długościach zbliżonych do okresu rozkładu współczynnika załamania – w przypadku fal widzialnych oznacza to, że na jeden okres rozkładu współczynnika załamania przypada ilość rzędu 1000 warstw atomowych. Występowanie fotonicznej przerwy wzbronionej jest analogiczne jak w przypadku półprzewodników (Równanie Schrödingera). Kryształy fotoniczne wytwarzane są m.in. z krzemu, również porowatego. Ze względu na budowę, kryształy fotoniczne dzieli się na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostsza struktura to struktura jednowymiarowa. Jest to w istocie zwierciadło Bragga złożone z wielu warstw na przemian o dużym i małym współczynniku załamania światła. Zwierciadło Bragga działa jak optyczny filtr pasmowy, pewne częstotliwości są odbijane, a inne przepuszczane. Jeżeli zwiniemy zwierciadło Bragga w rurkę to otrzymamy strukturę dwuwymiarową.
Do modelowania pola elektromagnetycznego w kryształach fotonicznych stosuje się wiele metod znanych z innych dziedzin optyki czy elektrodynamiki. Wymienić tu można: metodę fal płaskich – PWM (ang. Plane wave method), metodę różnic skończonych w dziedzinie czasu FDTD (z ang. Finite Difference Time Domain), polegającą na numerycznym rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla pola elektrycznego i pola magnetycznego, metodę momentów, wraz z jej licznymi odmianami, a także inne liczne metody półanalityczne i w pełni analityczne. Jak do tej pory, analityczne rozwiązanie równań Maxwella zostało znalezione tylko w najprostszym, jednowymiarowym krysztale fotonicznym.
Niektóre zastosowania:
- Zwierciadła selektywne rezonatorów laserowych,
- Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym,
- Światłowody fotoniczne (photonic crystal fiber), włóknowe i planarne,
- Półprzewodniki fotoniczne,
- Ultrabiałe pigmenty,
- Diody elektroluminescencyjne o zwiększonej sprawności,
- Mikrorezonatory,
- Metamateriały – materiały lewoskrętne,
- Szerokopasmowe testowanie urządzeń fotonicznych, spektroskopia, interferometria czy koherentna tomografia optyczna (OCT) – wykorzystanie silnego efektu przesunięcia fazowego.
Wytwarzanie w Polsce
W Polsce prace nad wytwarzaniem i modelowaniem kryształów i światłowodów fotonicznych są prowadzone w UMCS w Lublinie, na Politechnice Wrocławskiej[1], Politechnice Łódzkiej w Instytucie Fizyki[2], Politechnice Warszawskiej[3] oraz na UW Zakład Optyki Informacyjnej[4] i w ITME w Warszawie[5].