XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Фотонные кристаллы представляют собой микроскопиченские структуры из оптически прозрачного материала с периодическим изменением показателя преломления, период которого в сопоставим с длиной волны интересующего диапазона излучения [1].

Фотонные кристаллы (ФК) состоят из периодических диэлектрических или металлодиэлектрических (нанодиэлектрических) структур, которые влияют на распространение электромагнитных волн (ЭМ) так же, как периодический потенциал в полупроводниковом кристалле влияет на движение электронов, определяя разрешенные и запрещенные электронные энергетические зоны. По существу, фотонные кристаллы содержат регулярно повторяющиеся внутренние области с высокой и низкой диэлектрической проницаемостью. Фотоны (ведущие себя как волны) распространяются через эту структуру - или нет - в зависимости от их длины волны. Длины волн света (потока фотонов), которым разрешено перемещаться, известны как «моды». Фотонные кристаллы являются структурами, изменяющими плотность состояний мод электромагнитного поля и оптические свойства находящихся в них атомов и молекул. Запрещенные полосы длин волн называются фотонными запрещенными зонами. Это приводит к различным оптическим явлениям, таким как подавление спонтанного излучения, высокоотражающие всенаправленные зеркала и волноводы с низкими потерями, среди прочего.

Первые открытия и изучение.

Впервые идея управления спонтанным излучением атомов (подавления спонтанного излучения атомов), находящихся в среде с трехмернопериодической модуляцией показателя преломления, была высказана в работах Быкова В.П. в 1972г. Затем эта возможность была заново осознана в 1987г. Э. Яблоновичем и С. Джоном и был преложен термин «фотонный кристалл». В отличие от обычного кристалла, где волна плотности вероятности электрона скалярна, поле электромагнитной волны носит векторный характер. Это потребовало разработки нового математического аппарата для расчета зонной структуры и привело к ряду отличительных свойств, в частности, пороговому характеру возникновения запрещенной зоны по глубине модуляции показателя преломления. В 1990г. была впервые рассчитана зонная структура фотонного кристалла и была теоретически обнаружена фотонная запрещенная зона. Значительные технологические трудности в изготовлении решеток фотонных кристаллов для оптического диапазона длин волн привели к тому, что только в 2000г. был впервые синтезирован фотонный кристалл, предположительно обладающий запрещенной зоной в ближней инфракрасной области спектра [2].

Эксперты из Даугавпилсского университета в процессе исследований под эгидой Фонда Междисциплинарной Группы Исследований Биоризации обнаружили особенную наноструктуру фотонов, которая получила название фотонных кристаллов. Результаты были видны уже после серии изучений структуры чешуи жуков-долгоносиков. Выявленные наноструктуры владеют характерными светоотражающими качествами, то, что подпитывает заинтересованность научного сообщества – как с практической точки зрения, так и с точки зрения фундаментального познания.

Сначала целью изучений, начавшихся в 2009 г., было изучение процессов иризации, то есть процессов, из-за которых выявляется радужная игра света. Иридизация детально изучалась на природных образцах – поверхностях жуков. Изучения проводились вместе с помощью методики спектроскопии, а также оптики, после чего велось компьютерное моделирование наблюдений и запись данных, а дальнейшем позволило отступить от главной миссии и приняться за исследование обнаруженных структур – фотонных кристаллов.

В процессе экспериментальной деятельность внутри Даугавпилсского университета была сформирована междисциплинарная группа экспертов, которая занимается исследованием новых явлений в биологии, а также физике.

Применение фотонных кристаллов

С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах, и предполагается, что:

лазеры с фотонными кристаллами позволяют получить малосигнальную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры;

с помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны(«суперлинзы»);

фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создать суперпризмы;

новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;

благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств [3].

На основе фотонных кристаллов разработаны различные конструкции лазеров. Другой класс оптических элементов на основе фотонных кристаллов составляют фотонно-кристаллические волокна (ФКВ). В них имеется запрещенная зона в заданном диапазоне длин волн. В отличие от обычных волоконных световодов в волокнах с фотонной запрещенной зоной есть возможность сдвигать длину волны нулевой дисперсии в видимую область спектра. При этом обеспечиваются условия для солитонных режимов распространения видимого света.

Изменением размеров воздушных трубок и соответственно размера сердцевины можно увеличить концентрацию мощности светового излучения, нелинейные свойства волокон. Меняя геометрию волокон и оболочки, можно получить оптимальное сочетание сильной нелинейности и малой дисперсии в нужном диапазоне длин волн [4].

Рис. 1 - Фотонно-кристаллические волокна

Фотонные кристаллы обеспечивают отличную цветопередачу у ЖК-дисплеев. Находка ученых, возможно, позволит значительно повысить качество картинки, формируемой жидкокристаллическими дисплеями, и увеличить размеры экранов на базе данной технологии. Кроме того, обнаруженную методику можно применить в электронной бумаге. На фотонных кристаллах разработан полноцветный гнущийся дисплей учеными из университета Торонто.

Рис. 2 – Гибкий дисплей

Настоящую революцию в оптоэлектронике способны произвести разрабатываемые на основе фотонных кристаллов низкопороговые или даже беспороговые лазеры, открывающие путь для малосигнальной лазерной техники - вплоть до однофотонных лазеров. Полученный лазер обладает уникальными свойствами.

Рис. 3 - Лазер

Еще одна перспективная технология в волоконной оптике – скоростные солитонные линии связи, которые отличаются от обычной высокой помехоустойчивости и низким уровнем шумов. Солитоны – это устойчивые уединенные гребни волн, которые распространяются в среде как частицы. При взаимодействии друг с другом или с другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной [5].

Рис. 4 – Оптическое волокно

Заключение

Мотивацией для активных исследований в области фотонных кристаллов послужило осознание того факта, что ФК-структуры позволяют решить ряд фундаментальных проблем, связанные с управлением процессами спонтанного излучения света из атомов и молекул, с локализацией света, и имеют огромные возможности для применений.

Создание ФК-структур на основе жидких кристаллов или с включением ЖК в качестве дефектов структуры весьма перспективно для управления их оптическими свойствами. Перестраиваемость спонтанного излучения, волноводных эффектов и локализации света может значительно увеличить технологическую ценность композитных жидкокристаллических материалов с фотонной запрещенной зоной и даже превысить ценность самих объемных ЖК.

Эксперименты показали, что такие кристаллические волноводы способны передавать гораздо большую оптическую мощность, чем обычные волокна. Параллельно с волноводами на основе фотонных кристаллов ведутся технологические проработки других компонентов телекоммуникационной техники.

Хотя на сегодняшний день фотонные кристаллы – это лишь лабораторные объекты, но их потенциальные возможности настолько широки, что промышленная реализация данных структур, не заставит себя долго ждать.

Список литературы

Доломатов М.Ю., Бахтизин Р.З., Шарипов Т.И. Физические основы наноэлектроники: учебное пособие / М.Ю. Доломатов, Р.З Бахтизин, Т.И. Шарипов. – Москва: Юрайт, 2022 – 100 с. – Текст: непосредственный.

Дьяченко П.Н. Метаматериалы и фотонные кристаллы: учебное пособие / П. Н. Дьяченко. – Самара, 2012. – 5 с. – Текст: непосредственный.

Морозов Н.В., Галстян К.П. Получение и применение фотонных кристаллов / Н. В. Морозов, К. П. Галстян. – Техника. Технологии. Инженерия №3, 2018 - Текст: непосредственный.

Щука А.А. Наноэлектроника: учебное пособие / А.А. Щука. – Москва: Юрайт, 2022 – 72 с. – Текст: непосредственный.

https://studfile.net/preview/8236758/page:8/

Код для цитирования: Скопировать