فجوة شريطية لبلورة فوتونية أحادية البعد. البلورات الضوئية للدمى

يمكن تقسيم البلورات الضوئية إلى ثلاث فئات رئيسية حسب طبيعة التغير في معامل الانكسار:

1. أحادي البعد، حيث يتغير معامل الانكسار بشكل دوري في اتجاه مكاني واحد كما هو موضح في الشكل 2. في هذا الشكل، يشير الرمز L إلى فترة التغير في معامل الانكسار، وهما معامل الانكسار لمادتين ( ولكن في الحالة العامة، قد يكون هناك أي عدد من المواد). تتكون هذه البلورات الضوئية من طبقات من مواد مختلفة متوازية مع بعضها البعض ولها معاملات انكسار مختلفة، ويمكن أن تظهر خصائصها في اتجاه مكاني واحد، متعامد مع الطبقات.

الشكل 1 - تمثيل تخطيطي للبلورة الضوئية أحادية البعد

2. ثنائي الأبعاد، حيث يتغير معامل الانكسار بشكل دوري في اتجاهين مكانيين كما هو موضح في الشكل 2. في هذا الشكل، يتم إنشاء البلورة الضوئية بواسطة مناطق مستطيلة ذات معامل انكسار، والتي تقع في وسط ذو معامل انكسار . في هذه الحالة، يتم ترتيب المناطق ذات معامل الانكسار في شبكة مكعبة ثنائية الأبعاد. يمكن لهذه البلورات الضوئية أن تظهر خصائصها في اتجاهين مكانيين، ولا يقتصر شكل المناطق ذات معامل الانكسار على المستطيلات، كما في الشكل، ولكن يمكن أن يكون أي (دوائر، قطع ناقص، تعسفي، إلخ). يمكن أيضًا أن تكون الشبكة البلورية التي يتم ترتيب هذه المناطق فيها مختلفة، وليست مكعبة فقط، كما في الشكل أعلاه.

الشكل 2: تمثيل تخطيطي للبلورة الضوئية ثنائية الأبعاد

3. ثلاثي الأبعاد، حيث يتغير معامل الانكسار بشكل دوري في ثلاثة اتجاهات مكانية. يمكن لمثل هذه البلورات الضوئية أن تظهر خصائصها في ثلاثة اتجاهات مكانية، ويمكن تمثيلها كمجموعة من المناطق الحجمية (كرات، مكعبات، إلخ) مرتبة في شبكة بلورية ثلاثية الأبعاد.

هناك أيضًا بلورات ضوئية رنانة وغير رنانة. تختلف البلورات الضوئية الرنانة عن البلورات غير الرنانة في أنها تستخدم مواد يكون ثابت عازلها (أو معامل انكسارها) كدالة للتردد له قطب عند بعض تردد الرنين.

مثل الوسائط الكهربائية، اعتمادًا على عرض المناطق المحظورة والمسموح بها، يمكن تقسيم البلورات الضوئية إلى موصلات - قادرة على توصيل الضوء لمسافات طويلة مع فقد منخفض، وعوازل - مرايا مثالية تقريبًا، وأشباه الموصلات - مواد قادرة، على سبيل المثال، على توصيل الضوء بشكل انتقائي تعكس الفوتونات ذات طول موجي معين وموصلات فائقة، حيث تتمكن الفوتونات، بفضل الظواهر الجماعية، من الانتشار عبر مسافات غير محدودة تقريبًا. هناك أيضًا بلورات ضوئية رنانة وغير رنانة. تختلف البلورات الضوئية الرنانة عن البلورات غير الرنانة في أنها تستخدم مواد يكون ثابت عازلها (أو معامل انكسارها) كدالة للتردد له قطب عند بعض تردد الرنين.

أي عدم تجانس في البلورة الضوئية يسمى عيب البلورة الضوئية. غالبًا ما يتركز المجال الكهرومغناطيسي في مثل هذه المناطق، والذي يستخدم في التجاويف الدقيقة والأدلة الموجية المبنية على أساس البلورات الضوئية. هناك عدد من التشبيهات عند وصف انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في البلورات الضوئية والخصائص الإلكترونية للبلورات. دعونا قائمة بعض منهم.

1. يتم تحديد حالة الإلكترون داخل البلورة (قانون الحركة) عن طريق حل معادلة شرلدينجر؛ إن انتشار الضوء في البلورة الضوئية يخضع للمعادلة الموجية، وهي نتيجة لمعادلات ماكسويل:

2. يتم وصف حالة الإلكترون بواسطة دالة الموجة العددية w(r,t)، ويتم وصف حالة الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة الحقول المتجهة - قوة المكونات المغناطيسية أو الكهربائية، H (r,t) أو E (ص، ر).
3. يمكن توسيع وظيفة موجة الإلكترون w(r,t) إلى سلسلة من الحالات الذاتية wE(r)، لكل منها طاقتها الخاصة E. يمكن تمثيل شدة المجال الكهرومغناطيسي H(r,t) بواسطة تراكب المكونات أحادية اللون (الأوضاع) المجال الكهرومغناطيسي Hsh(r)، كل منها يتوافق مع قيمته الخاصة - تردد الوضع u:

4. الإمكانات الذرية U(r) وثابت العزل الكهربائي e(r)، اللذان يظهران في معادلات شرلدينجر وماكسويل، هما دالتان دوريتان بفترات تساوي أي متجهات R للشبكة البلورية والبلورة الضوئية، على التوالي:

ش(ص) = ش(ص + ص)، (3)

5. بالنسبة لدالة موجة الإلكترون وشدة المجال الكهرومغناطيسي، فإن نظرية بلوخ راضية عن الدوال الدورية u k و شك.

6. القيم المحتملة لمتجهات الموجة k تملأ منطقة Brillouin للشبكة البلورية أو خلية الوحدة للبلورة الضوئية، المحددة في مساحة المتجهات العكسية.
7. طاقة الإلكترون E، وهي القيمة الذاتية لمعادلة شرلدينجر، والقيمة الذاتية للمعادلة الموجية (نتائج معادلات ماكسويل) - تردد الوضع u - ترتبط بقيم المتجهات الموجية k لبلوخ الوظائف (4) بموجب قانون التشتت E(k) وu(k).
8. تعتبر ذرة الشوائب التي تنتهك التماثل الانتقالي للإمكانات الذرية عيبًا بلوريًا ويمكن أن تخلق حالة إلكترونية شوائب موضعية بالقرب من العيب. تؤدي التغييرات في ثابت العزل الكهربائي في منطقة معينة من البلورة الضوئية إلى كسر التناظر الترجمي e(r) وتؤدي إلى ظهور الوضع المسموح به داخل فجوة النطاق الضوئية، المترجمة في محيطها المكاني.

) — مادة تتميز بنيتها بالتغير الدوري في معامل الانكسار في 1 أو 2 أو 3 اتجاهات مكانية.

وصف

السمة المميزة للبلورات الضوئية (أجهزة الكمبيوتر) هي وجود تغير دوري مكاني في معامل الانكسار. اعتمادًا على عدد الاتجاهات المكانية التي يتغير من خلالها معامل الانكسار بشكل دوري، تسمى البلورات الضوئية أحادية البعد وثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد أو مختصرة 1D PC و2D PC و3D PC (D - من البعد الإنجليزي)، على التوالي . تقليديًا، يظهر هيكل 2D FC و3D FC في الشكل.

الميزة الأكثر لفتًا للانتباه في البلورات الضوئية هي وجود بلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد مع تباين كبير بما فيه الكفاية في مؤشرات الانكسار لمكونات مناطق طيفية معينة، تسمى إجمالي فجوات النطاق الضوئية (PBGs): وجود إشعاع مع طاقة الفوتون تنتمي إلى PBG في مثل هذه البلورات أمر مستحيل. على وجه الخصوص، الإشعاع، الذي ينتمي طيفه إلى PBG، لا يخترق FC من الخارج، ولا يمكن أن يوجد فيه، وينعكس بالكامل من الحدود. يتم انتهاك الحظر فقط في حالة وجود عيوب هيكلية أو عندما يكون حجم الكمبيوتر محدودًا. في هذه الحالة، تكون العيوب الخطية التي تم إنشاؤها عن قصد ذات خسائر انحناء منخفضة (تصل إلى نصف قطر انحناء ميكرون)، وتكون العيوب النقطية عبارة عن رنانات مصغرة. إن التنفيذ العملي للإمكانيات المحتملة للكمبيوتر ثلاثي الأبعاد، استنادًا إلى الإمكانات الواسعة للتحكم في خصائص حزم الضوء (الفوتون)، قد بدأ للتو. الأمر معقد بسبب عدم وجود طرق فعالة لإنشاء أجهزة كمبيوتر ثلاثية الأبعاد عالية الجودة، وطرق التشكيل المستهدف لعدم التجانس المحلي، والعيوب الخطية والنقطية فيها، بالإضافة إلى طرق الاقتران مع الأجهزة الضوئية والإلكترونية الأخرى.

تم تحقيق تقدم أكبر بكثير في التطبيق العملي للبلورات الضوئية ثنائية الأبعاد، والتي تستخدم، كقاعدة عامة، في شكل بلورات ضوئية مستوية (فيلم) أو في شكل (PCF) (انظر المزيد من التفاصيل في المقالات ذات الصلة) .

PCFs عبارة عن هيكل ثنائي الأبعاد به عيب في الجزء المركزي وممدود في الاتجاه العمودي. كونها نوعًا جديدًا بشكل أساسي من الألياف الضوئية، توفر ألياف PCF إمكانات لا يمكن الوصول إليها من قبل الأنواع الأخرى لنقل موجات الضوء والتحكم في الإشارات الضوئية.

أجهزة الكمبيوتر أحادية البعد (أجهزة الكمبيوتر 1D) هي بنية متعددة الطبقات من طبقات متناوبة ذات مؤشرات انكسار مختلفة. في البصريات الكلاسيكية، قبل وقت طويل من ظهور مصطلح "البلورة الضوئية"، كان من المعروف أنه في مثل هذه الهياكل الدورية تتغير طبيعة انتشار موجات الضوء بشكل كبير بسبب ظاهرتي التداخل والحيود. على سبيل المثال، تم استخدام الطلاءات العاكسة متعددة الطبقات على نطاق واسع منذ فترة طويلة لتصنيع المرايا ومرشحات تداخل الأفلام، وشبكات براغ الحجمية كمحددات ومرشحات طيفية. بعد أن بدأ استخدام مصطلح الكمبيوتر الشخصي على نطاق واسع، بدأ تصنيف هذه الوسائط ذات الطبقات، التي يتغير فيها معامل الانكسار بشكل دوري في اتجاه واحد، على أنها بلورات فوتونية أحادية البعد. عندما يسقط الضوء بشكل عمودي، فإن الاعتماد الطيفي لانعكاس الطلاءات متعددة الطبقات هو ما يسمى "جدول براغ" - عند أطوال موجية معينة، يقترب الانعكاس بسرعة من الوحدة مع زيادة عدد الطبقات. موجات ضوئية تقع ضمن النطاق الطيفي الموضح في الشكل. السهم b، ينعكس بالكامل تقريبًا من البنية الدورية. في مصطلحات FC، يُحظر على منطقة الطول الموجي ومنطقة طاقة الفوتون المقابلة (أو نطاق الطاقة) انتشار موجات الضوء بشكل عمودي على الطبقات.

تعد إمكانات التطبيقات العملية لأجهزة الكمبيوتر هائلة نظرًا للقدرات الفريدة للتحكم في الفوتونات ولم يتم استكشافها بالكامل بعد. ليس هناك شك في أنه سيتم في السنوات القادمة اقتراح أجهزة وعناصر تصميم جديدة، ربما تختلف بشكل أساسي عن تلك المستخدمة أو المطورة اليوم.

تم تحقيق الآفاق الهائلة لاستخدام البلورات الضوئية في الضوئيات بعد نشر مقال بقلم إي. يابلونوفيتش، حيث تم اقتراح استخدام البلورات الضوئية مع فجوات كاملة في النطاق الضوئي للتحكم في طيف الانبعاث التلقائي.

ومن بين الأجهزة الضوئية التي من المتوقع ظهورها في المستقبل القريب ما يلي:

أجهزة ليزر كمبيوتر صغيرة جدًا ومنخفضة العتبة؛
أجهزة كمبيوتر فائقة السطوع مع طيف انبعاث يمكن التحكم فيه؛
أدلة موجية للكمبيوتر الشخصي صغيرة الحجم ذات نصف قطر انحناء ميكرون؛
دوائر متكاملة فوتونية ذات درجة عالية من التكامل تعتمد على أجهزة الكمبيوتر المستوية؛
المرشحات الطيفية الضوئية المصغرة، بما في ذلك المرشحات القابلة للضبط؛
أجهزة الذاكرة الضوئية FC RAM؛
أجهزة معالجة الإشارات الضوئية FC؛
وسيلة لتوصيل إشعاع ليزر عالي الطاقة يعتمد على PCF ذو قلب مجوف.

إن التطبيق الأكثر إغراءً، ولكنه أيضًا الأصعب في التنفيذ لأجهزة الكمبيوتر ثلاثية الأبعاد، هو إنشاء مجمعات متكاملة حجميًا كبيرة جدًا من الأجهزة الضوئية والإلكترونية لمعالجة المعلومات.

تشمل الاستخدامات الأخرى المحتملة للبلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد صنع المجوهرات بناءً على الأوبال الاصطناعي.

توجد البلورات الضوئية أيضًا في الطبيعة، مما يعطي ظلالًا إضافية من الألوان للعالم من حولنا. وبالتالي، فإن طلاء عرق اللؤلؤ لأصداف الرخويات، مثل أذن البحر، له هيكل 1D FC، وهوائيات فأر البحر وشعيرات الدودة متعددة الأشواك هي 2D FC، والأحجار شبه الكريمة الطبيعية أوبال و أجنحة الفراشات بشق الأفريقية (Papilio ulysses) عبارة عن بلورات ضوئية طبيعية ثلاثية الأبعاد.

الرسوم التوضيحية

أ- هيكل الحاسوب الشخصي ثنائي الأبعاد (علوي) وثلاثي الأبعاد (سفلي)؛

ب- فجوة النطاق لحاسوب شخصي أحادي البعد مكونة من طبقات GaAs/AlxOy ربع الموجة (تظهر فجوة النطاق بواسطة سهم)؛

الخامس- كمبيوتر شخصي مقلوب من النيكل، حصل عليه موظفو جامعة FNM في موسكو الحكومية. م.ف. لومونوسوفا ن. سابولوتوفا، ك.س. نابولسكي وأ.أ. إليسيف

تم تخصيص عدد كبير من الأعمال والدراسات مؤخرًا للخصائص غير العادية للبلورات الضوئية. دعونا نتذكر أن البلورات الضوئية هي تلك الوسائط الاصطناعية التي، بسبب التغيرات الدورية في المعلمات العازلة (أي معامل الانكسار)، تصبح خصائص انتشار الموجات الكهرومغناطيسية (الضوء) مشابهة لخصائص الإلكترونات المنتشرة في البلورات الحقيقية. وبناء على ذلك، فإن مصطلح "البلورة الضوئية" يؤكد على التشابه بين الفوتونات والإلكترونات. يؤدي تكميم خصائص الفوتونات إلى حقيقة أنه في طيف الموجة الكهرومغناطيسية المنتشرة في البلورة الضوئية، قد تظهر مناطق محظورة تكون فيها كثافة حالات الفوتونات صفرًا.

تم إنشاء بلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد ذات فجوة نطاق مطلقة لأول مرة للموجات الكهرومغناطيسية في نطاق الموجات الدقيقة. إن وجود فجوة نطاق مطلقة يعني أن الموجات الكهرومغناطيسية في نطاق تردد معين لا يمكن أن تنتشر في بلورة معينة في أي اتجاه، حيث أن كثافة حالة الفوتونات التي تتوافق طاقتها مع نطاق التردد هذا هي صفر عند أي نقطة في البلورة. مثل البلورات الحقيقية، يمكن أن تكون البلورات الضوئية موصلات وأشباه موصلات وعوازل وموصلات فائقة من حيث وجود وخصائص فجوة النطاق الخاصة بها. إذا كانت هناك "عيوب" في فجوة نطاق البلورة الضوئية، فمن الممكن "التقاط" الفوتون بواسطة "العيب"، على غرار كيفية التقاط إلكترون أو ثقب بواسطة شوائب مقابلة موجودة في فجوة نطاق بلورة فوتونية. أشباه الموصلات.

تسمى موجات الانتشار هذه ذات الطاقة الموجودة داخل فجوة النطاق بأنماط العيوب.

انكسار المواد البلورية الضوئية

كما ذكرنا من قبل، يتم ملاحظة خصائص غير عادية للبلورة الضوئية عندما تكون أبعاد الخلية الأولية للبلورة في حدود طول الموجة المنتشرة فيها. من الواضح أنه لا يمكن إنتاج البلورات الضوئية المثالية في نطاق الضوء المرئي إلا باستخدام تقنيات دون الميكرون. إن مستوى العلوم والتكنولوجيا الحديثة يجعل من الممكن إنشاء مثل هذه البلورات ثلاثية الأبعاد.

تطبيقات البلورات الضوئية عديدة جدًا - العوازل الضوئية، والبوابات الضوئية، والمفاتيح، ومضاعفات الإرسال، وما إلى ذلك. واحدة من الهياكل المهمة للغاية من الناحية العملية هي الألياف الضوئية البلورية الضوئية. لقد تم تصنيعها في البداية من مجموعة من الشعيرات الدموية الزجاجية المجمعة في عبوة كثيفة، والتي تم بعد ذلك إخضاعها للغطاء التقليدي. وكانت النتيجة أليافًا ضوئية تحتوي على ثقوب متباعدة بانتظام بحجم مميز يبلغ حوالي 1 ميكرون. بعد ذلك، تم الحصول على أدلة ضوئية كريستالية ضوئية ذات تكوينات مختلفة وخصائص مختلفة (الشكل 9).

تم تطوير طريقة حفر جديدة لإنشاء أدلة ضوئية كريستالية فوتونية في معهد هندسة الراديو والإلكترونيات والمركز العلمي للألياف الضوئية التابع لأكاديمية العلوم الروسية. أولاً، تم حفر ثقوب ميكانيكية مع أي مصفوفة في قطعة عمل كوارتز سميكة، ثم تم رسم قطعة العمل. وكانت النتيجة ألياف بلورية ضوئية عالية الجودة. في مثل هذه الأدلة الضوئية، من السهل إنشاء عيوب بأشكال وأحجام مختلفة، بحيث يمكن إثارة العديد من أوضاع الضوء في وقت واحد، والتي تقع تردداتها في فجوة شريط البلورة الضوئية. العيوب، على وجه الخصوص، يمكن أن تأخذ شكل قناة مجوفة، بحيث لا ينتشر الضوء في الكوارتز، ولكن من خلال الهواء، مما يمكن أن يقلل بشكل كبير من الخسائر في المقاطع الطويلة من أدلة الضوء البلوري الضوئية. يصاحب انتشار الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء في أدلة الضوء البلوري الضوئية ظواهر فيزيائية مختلفة: تشتت رامان، والخلط التوافقي، والتوليد التوافقي، مما يؤدي في النهاية إلى توليد الاستمرارية الفائقة.

ولا تقل إثارة للاهتمام، من وجهة نظر دراسة التأثيرات الفيزيائية والتطبيقات الممكنة، عن البلورات الضوئية أحادية وثنائية الأبعاد. بالمعنى الدقيق للكلمة، هذه الهياكل ليست بلورات فوتونية، ولكن يمكن اعتبارها كذلك عندما تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في اتجاهات معينة. البلورة الضوئية النموذجية أحادية البعد هي بنية دورية متعددة الطبقات تتكون من طبقات من مادتين على الأقل مع مؤشرات انكسار مختلفة على نطاق واسع. إذا انتشرت موجة كهرومغناطيسية على طول المستوى الطبيعي، تظهر فجوة نطاقية لترددات معينة في مثل هذا الهيكل. إذا تم استبدال إحدى طبقات الهيكل بمادة ذات معامل انكسار مختلف عن الطبقات الأخرى أو تم تغيير سمك طبقة واحدة، فستكون هذه الطبقة عيبًا قادرًا على التقاط موجة يكون ترددها في فجوة النطاق .

يؤدي وجود طبقة خلل مغناطيسية في بنية عازلة غير مغناطيسية إلى زيادة متعددة في دوران فاراداي للموجة عند الانتشار في مثل هذا الهيكل وإلى زيادة الشفافية البصرية للوسط.

وبشكل عام، فإن وجود الطبقات المغناطيسية في البلورات الضوئية يمكن أن يغير خصائصها بشكل كبير، خاصة في نطاق الموجات الميكروية. والحقيقة هي أنه في نطاق الموجات الدقيقة، تكون النفاذية المغناطيسية للمغناطيسات الحديدية في نطاق تردد معين سلبية، مما يسهل استخدامها في إنشاء المواد الخارقة. ومن خلال اقتران هذه المواد بطبقات أو هياكل معدنية غير مغناطيسية تتكون من موصلات فردية أو هياكل دورية للموصلات، من الممكن إنتاج هياكل ذات قيم سالبة للثوابت المغناطيسية والعازلة. ومن الأمثلة على ذلك الهياكل التي تم إنشاؤها في معهد الهندسة الراديوية والإلكترونيات التابع لأكاديمية العلوم الروسية، والمصممة للكشف عن الانعكاس "السلبي" وانكسار موجات الدوران المغناطيسية الساكنة. هذا الهيكل عبارة عن فيلم من عقيق حديد الإيتريوم مع موصلات معدنية على سطحه. تعتمد خصائص موجات الدوران المغناطيسية المنتشرة في الأفلام المغناطيسية الرقيقة بشدة على المجال المغناطيسي الخارجي. في الحالة العامة، أحد أنواع هذه الموجات هو موجة متخلفة، وبالتالي فإن المنتج القياسي لمتجه الموجة ومتجه التأشير لهذا النوع من الموجات يكون سالبًا.

كما أن وجود الموجات المتخلفة في البلورات الضوئية يرجع أيضًا إلى دورية خصائص البلورة نفسها. على وجه الخصوص، بالنسبة للموجات التي تقع متجهاتها الموجية في منطقة Brillouin الأولى، يمكن تحقيق شرط الانتشار كما هو الحال بالنسبة للموجات المباشرة، وبالنسبة للموجات نفسها في منطقة Brillouin الثانية - كما هو الحال في الموجات الخلفية. مثل المواد الخارقة، يمكن للبلورات الضوئية أيضًا أن تظهر خصائص غير عادية في نشر الموجات، مثل الانكسار "السلبي".

ومع ذلك، يمكن أن تكون البلورات الضوئية مادة خارقة تكون فيها ظاهرة الانكسار "السلبي" ممكنة ليس فقط في نطاق الموجات الميكروية، ولكن أيضًا في نطاق التردد البصري. تؤكد التجارب وجود انكسار "سلبي" في البلورات الضوئية للموجات ذات الترددات الأعلى من تردد فجوة النطاق الأولى بالقرب من مركز منطقة بريلوين. ويرجع ذلك إلى تأثير سرعة المجموعة السلبية، ونتيجة لذلك، مؤشر انكسار سلبي للموجة. في الواقع، في نطاق التردد هذا تصبح الموجات معكوسة.

(الشبكة البلورية الفائقة)، حيث يتم إنشاء حقل إضافي بشكل مصطنع بفترة زمنية أكبر من فترة الشبكة الرئيسية. بمعنى آخر، هذا نظام مرتب مكانيًا مع تغيير دوري صارم في معامل الانكسار على مقياس مماثل للأطوال الموجية للإشعاع في النطاقات المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة. وبفضل هذا، فإن هذه الشبكات تجعل من الممكن الحصول على المناطق المسموح بها والمحظورة لطاقة الفوتون.

وبشكل عام، فإن طيف الطاقة للفوتون المتحرك في البلورة الضوئية يشبه طيف الإلكترونات في البلورة الحقيقية، على سبيل المثال، في أشباه الموصلات. تتشكل هنا أيضًا مناطق محظورة، في نطاق تردد معين يُحظر فيه الانتشار الحر للفوتونات. تحدد فترة تعديل ثابت العزل الكهربائي موضع الطاقة لفجوة النطاق والطول الموجي للإشعاع المنعكس. ويتم تحديد عرض فجوات النطاق من خلال تباين ثابت العزل الكهربائي.

بدأت دراسة البلورات الضوئية في عام 1987 وسرعان ما أصبحت رائجة في العديد من المختبرات الرائدة في العالم. تم إنشاء أول بلورة ضوئية في أوائل التسعينيات من قبل موظف مختبرات بيل إيلي يابلونوفيتش، الذي يعمل الآن في جامعة كاليفورنيا. للحصول على شبكة دورية ثلاثية الأبعاد في مادة كهربائية، من خلال قناع إيلي، قام يابلونوفيتش بحفر ثقوب أسطوانية بحيث شكلت شبكتها في حجم المادة شبكة مكعبة مركزية الوجه من الفراغات، بينما كان ثابت العزل الكهربائي معدلة بفترة 1 سم في جميع الأبعاد الثلاثة.

لنفترض حادثة فوتون على بلورة فوتونية. إذا كان لهذا الفوتون طاقة تتوافق مع فجوة شريط البلورة الضوئية، فلن يتمكن من الانتشار في البلورة وسوف ينعكس عنها. والعكس صحيح، إذا كان للفوتون طاقة تتوافق مع طاقة المنطقة المسموح بها من البلورة، فسيكون قادرًا على الانتشار في البلورة. وبالتالي، فإن البلورة الضوئية لها وظيفة المرشح البصري، حيث تنقل أو تعكس الفوتونات بطاقات معينة.

في الطبيعة، تمتلك هذه الخاصية أجنحة الفراشة الأفريقية بشق الذيل والطاووس والأحجار شبه الكريمة مثل العقيق وعرق اللؤلؤ (الشكل 1).

تصنف البلورات الضوئية حسب اتجاهات التغير الدوري في معامل الانكسار في القياس:

1. البلورات الضوئية أحادية البعد. وفي مثل هذه البلورات، يتغير معامل الانكسار في اتجاه مكاني واحد (الشكل 1). تتكون البلورات الضوئية أحادية البعد من طبقات من المواد المتوازية مع بعضها البعض ذات معاملات انكسار مختلفة. تظهر هذه البلورات خصائصها فقط في اتجاه مكاني واحد متعامد مع الطبقات.
2. البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد. في مثل هذه البلورات، يتغير معامل الانكسار في اتجاهين مكانيين (الشكل 2). في مثل هذه البلورة، توجد المناطق ذات معامل انكسار واحد (n1) في وسط معامل انكسار آخر (n2). يمكن أن يكون شكل المناطق ذات معامل الانكسار موجودًا، تمامًا مثل الشبكة البلورية نفسها. يمكن لمثل هذه البلورات الضوئية أن تظهر خصائصها في اتجاهين مكانيين.
3. البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد. في مثل هذه البلورات، يتغير معامل الانكسار في ثلاثة اتجاهات مكانية (الشكل 3). يمكن لهذه البلورات أن تظهر خصائصها في ثلاثة اتجاهات مكانية.

ولدت فكرة الضوئيات للهياكل النانوية والبلورات الضوئية عند تحليل إمكانية إنشاء بنية شريطية ضوئية. كان من المفترض أنه في بنية النطاق البصري، كما هو الحال في بنية نطاق أشباه الموصلات، يجب أن تكون هناك حالات مسموح بها ومحظورة للفوتونات ذات الطاقات المختلفة. من الناحية النظرية، تم اقتراح نموذج للوسط حيث تم استخدام التغيرات الدورية في ثابت العزل الكهربائي أو معامل الانكسار للوسط كاحتمال الشبكة الدورية. وهكذا تم تقديم مفاهيم "فجوة النطاق الضوئي" في "البلورة الضوئية".

الكريستال الضوئيهي شبكة فائقة يتم فيها إنشاء حقل بشكل مصطنع، وتكون دورته أكبر من فترة الشبكة الرئيسية. البلورة الضوئية عبارة عن مادة عازلة شفافة ذات بنية دورية محددة وخصائص بصرية فريدة.

يتكون الهيكل الدوري من ثقوب صغيرة تغير بشكل دوري ثابت العزل الكهربائي r. قطر هذه الثقوب بحيث تمر عبرها موجات ضوئية ذات طول محدد بدقة. يتم امتصاص جميع الموجات الأخرى أو انعكاسها.

وتتكون المناطق الضوئية التي تعتمد فيها سرعة طور انتشار الضوء على e. في البلورة، ينتشر الضوء بشكل متماسك وتظهر الترددات المحظورة، اعتمادًا على اتجاه الانتشار. يحدث حيود براغ للبلورات الضوئية في نطاق الطول الموجي البصري.

تسمى هذه البلورات بمواد ذات فجوة الحزمة الضوئية (PBGBs). من وجهة نظر الإلكترونيات الكمومية، فإن قانون أينشتاين للانبعاث المحفز لا ينطبق على مثل هذه الوسائط النشطة. وبموجب هذا القانون تكون معدلات الانبعاث والامتصاص المستحثين متساوية ومجموع المثار ن 2وغير متحمس

من ذرات JV هي A، + ن.، = ن.ثم أو 50%.

في البلورات الضوئية، من الممكن أن يكون مستوى الانقلاب السكاني بنسبة 100%. يتيح لك ذلك تقليل طاقة المضخة وتقليل التسخين غير الضروري للكريستال.

إذا تعرضت البلورة لموجات صوتية، فيمكن أن يتغير طول موجة الضوء واتجاه حركة موجة الضوء المميزة للبلورة. الخاصية المميزة للبلورات الضوئية هي تناسب معامل الانعكاس رالضوء في الجزء طويل الموجة من الطيف إلى تردده التربيعي 2، وليس كما هو الحال في تشتت رايلي ر~ مع 4 . يتم وصف مكون الموجة القصيرة للطيف البصري بقوانين البصريات الهندسية.

عند إنشاء بلورات فوتونية صناعيًا، من الضروري إيجاد تقنية لإنشاء شبكات فائقة ثلاثية الأبعاد. هذه مهمة صعبة للغاية، نظرًا لأن تقنيات النسخ القياسية باستخدام طرق الطباعة الحجرية غير مقبولة لإنشاء هياكل نانوية ثلاثية الأبعاد.

انجذب انتباه الباحثين إلى العقيق النبيل (الشكل 2.23). هل هذا المعدن Si() 2؟ ص 1.0 فئة فرعية من هيدروكسيدات. في الأوبال الطبيعي، تمتلئ فراغات الكريات بالسيليكا والماء الجزيئي. من وجهة نظر الإلكترونيات النانوية، فإن الأوبال عبارة عن كرات نانوية (كريات) من السيليكا معبأة بكثافة (بشكل أساسي وفقًا للقانون المكعب). كقاعدة عامة، يتراوح قطر الكرات النانوية بين 200-600 نانومتر. تشكل تعبئة كريات السيليكا شبكة ثلاثية الأبعاد. تحتوي هذه الشبكات الفائقة على فراغات هيكلية بأبعاد 140-400 نانومتر، والتي يمكن ملؤها بأشباه الموصلات والمواد النشطة بصريًا والمغناطيسية. في هيكل الأوبال، من الممكن إنشاء شبكة ثلاثية الأبعاد ببنية نانوية. يمكن أن يكون هيكل مصفوفة العقيق البصري بمثابة بلورة فوتونية 3E.

تم تطوير تقنية السيليكون المؤكسد الكبير. واستناداً إلى هذه العملية التكنولوجية، تم إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد على شكل دبابيس السيليكا (الشكل 2.24).

تم اكتشاف فجوات في النطاق الضوئي في هذه الهياكل. يمكن تغيير معلمات فجوات النطاق في مرحلة عمليات الطباعة الحجرية أو عن طريق ملء هيكل الدبوس بمواد أخرى.

تم تطوير تصميمات ليزر مختلفة تعتمد على البلورات الضوئية. فئة أخرى من العناصر البصرية تعتمد على البلورات الضوئية هي الألياف البلورية الضوئية(فكف). يملكون

أرز. 2.23.هيكل العقيق الاصطناعي (أ)والأوبال الطبيعي (ب)"

" مصدر: جودلين إي.أ.[وإلخ.]. ثروة العالم النانوي. تقرير مصور من أعماق المادة؛ حررت بواسطة يو.د. تريتياكوفا. م: بينوم. مختبر المعرفة، 2010.

أرز. 2.24.

فجوة النطاق في نطاق طول موجي معين. على عكس الألياف الضوئية التقليدية، تتمتع الألياف الضوئية ذات فجوة الحزمة بالقدرة على تحويل الطول الموجي عديم التشتت إلى المنطقة المرئية من الطيف. في هذه الحالة، يتم توفير الظروف لأنماط سوليتون لانتشار الضوء المرئي.

ومن خلال تغيير حجم أنابيب الهواء، وبالتالي حجم القلب، من الممكن زيادة تركيز طاقة الإشعاع الضوئي والخصائص غير الخطية للألياف. ومن خلال تغيير هندسة الألياف والكسوة، من الممكن الحصول على المزيج الأمثل من اللاخطية القوية والتشتت المنخفض في نطاق الطول الموجي المطلوب.

في التين. 2.25 يظهر FCF. وهي مقسمة إلى نوعين. يتضمن النوع الأول FCF مع قلب دليل الضوء المستمر. من الناحية الهيكلية، يتم تصنيع هذه الألياف على شكل نواة من زجاج الكوارتز في غلاف كريستالي فوتوني. يتم توفير الخصائص الموجية لهذه الألياف من خلال تأثير الانعكاس الداخلي الكلي ومن خلال خصائص نطاق البلورة الضوئية. ولذلك، تنتشر الأنماط ذات الترتيب المنخفض في مثل هذه الألياف عبر نطاق طيفي واسع. تنتقل أوضاع الترتيب العالي إلى الصدفة وتتحلل هناك. في هذه الحالة، يتم تحديد خصائص الدليل الموجي للبلورة لأوضاع الترتيب الصفري من خلال تأثير الانعكاس الداخلي الكلي. يظهر هيكل شريط البلورة الضوئية بشكل غير مباشر فقط.

يحتوي الصف الثاني من FKV على قلب توجيه ضوئي مجوف. يمكن أن ينتشر الضوء من خلال كل من قلب الألياف والكسوة. في الصميم

أرز. 2.25.

أ -قسم ذو نواة توجيه ضوئية صلبة؛

6 - المقطع العرضي مع قلب من الألياف المجوفة الموجهة للضوء، يكون معامل الانكسار أقل من متوسط معامل الانكسار للكسوة. هذا يسمح لك بزيادة قوة الإشعاع المنقول بشكل كبير. حاليًا، تم إنشاء ألياف لها خسارة قدرها 0.58 ديسيبل / كم لكل طول موجي س = 1.55 ميكرومتر، وهي قريبة من قيمة الخسارة في الألياف القياسية أحادية الوضع (0.2 ديسيبل/كم).

ومن المزايا الأخرى للألياف البلورية الضوئية نلاحظ ما يلي:

الوضع الأحادي لجميع الأطوال الموجية للتصميم؛
مجموعة واسعة من التغييرات في بقعة الوضع الأساسي؛
معامل تشتت ثابت وعالي للأطوال الموجية 1.3-1.5 ميكرومتر وتشتت صفر للأطوال الموجية في الطيف المرئي؛
قيم الاستقطاب المتحكم فيها، تشتت سرعة المجموعة، طيف الإرسال.

تُستخدم الألياف ذات الكسوة البلورية الضوئية على نطاق واسع لحل المشكلات في مجال البصريات وفيزياء الليزر وخاصة في أنظمة الاتصالات. في الآونة الأخيرة، اجتذبت الأصداء المختلفة الناشئة في البلورات الضوئية الاهتمام. تحدث تأثيرات البولاريتون في البلورات الضوئية أثناء تفاعل الرنين الإلكتروني والفوتون. عند إنشاء هياكل نانوية معدنية عازلة للكهرباء بفترة أقصر بكثير من الطول الموجي البصري، فمن الممكن تحقيق موقف تكون فيه الظروف

أحد المنتجات المهمة جدًا لتطوير الضوئيات هو أنظمة الألياف الضوئية للاتصالات. يعتمد عملها على عمليات التحويل الكهروستاتيكي لإشارة المعلومات، ونقل الإشارة الضوئية المعدلة عبر دليل ضوء الألياف الضوئية والتحويل البصري الإلكتروني العكسي.