باستخدام الميكروويف وعينات ترى بالعين المجردة وعازل المواد الصلبة لدراسة خصائص الضوئية من المختلين المواد الضوئية فرق الطاقة
Summary
الهياكل المختلين توفر آليات جديدة لتشكيل bandgaps الضوئية وحرية غير مسبوقة في التصاميم الفنية من العيوب. للتحايل على التحديات الحسابية نظم المختلين، نبني عينات العيانية وحدات من فئة جديدة من المواد PBG واستخدام الموجات الدقيقة لتوصيف خصائص ثابتة على نطاق والضوئية، بطريقة سهلة وغير مكلفة.
Abstract
في الآونة الأخيرة، وقد اقترحت المختلين المواد الضوئية كبديل للبلورات دورية لتشكيل فجوة الحزمة الضوئية كاملة (PBG). في هذه المقالة سنقوم بشرح الطرق لبناء وتوصيف البنى الضوئية المختلين العيانية باستخدام أفران ميكروويف. يوفر نظام الميكروويف الأكثر ملاءمة حجم العينة التجريبية لبناء واختبار وسائل الاعلام PBG. مكونات شعرية عازلة التلاعب بها بسهولة تمتد المرونة في بناء هياكل 2D المختلفة على رأس قوالب بلاستيكية مطبوعة مسبقا. بني مرة واحدة، وهياكل يمكن تعديلها بسرعة مع النقطة والخط العيوب لجعل الدليل الموجي حر والمرشحات. ويتم اختبار على نطاق واسع باستخدام محلل شبكة النواقل وزوجا من الهوائيات القرن الميكروويف. نظرا لحجم الممتلكات الثابتية من المجالات الكهرومغناطيسية، والنتائج التي حصلنا عليها في منطقة الميكروويف يمكن تطبيقها مباشرة إلى مناطق تحت الحمراء والبصرية. نهجنا هو بسيط ولكنه يسلم exciتينغ رؤية جديدة في طبيعة الضوء والمختلين التفاعل المسألة.
وتشمل النتائج بممثل المظاهرة التجريبية الأولى من وجود PBG كامل وموحد الخواص في ثنائي الأبعاد (2D) hyperuniform هيكل عازلة المختلين. بالإضافة إلى ذلك علينا أن نظهر تجريبيا قدرة هذا الهيكل الضوئية رواية لتوجيه الموجات الكهرومغناطيسية (EM) من خلال الدليل الموجي حر الشكل التعسفي.
Introduction
وكان وجود فجوة الحزمة للفوتونات محورا للعديد من الأعمال العلمية، بدءا من دراسات سابقة قام به اللورد رايلي على الموجات توقف بعد واحد، مجموعة من الترددات التي ممنوعون من نشر عبر وسيط الدوري 1. البحث في الموجات الكهرومغناطيسية (EM) نشر في دورية الهياكل وازدهرت حقا في العقدين الماضيين بعد المنشورات المنوية من E. Yablonovitch 2،3 وS. يوحنا 4. وقد صاغ مصطلح "الكريستال الضوئية" التي Yablonovitch لوصف هياكل عازلة الدورية التي تمتلك فجوة الحزمة الضوئية (PBG).
البلورات الضوئية هي هياكل عازلة دورية حيازة التماثلات متعدية منفصلة، مما يجعلها ثابتة تحت الترجمات في اتجاهات الدورية. عندما يقابل هذا مع تواتر موجات واردة من الكهرومغناطيسية (EM) الأمواج، عصابة سالترددات و تصبح الموهنة للغاية وربما وقف نشر. إذا اسعة بما فيه الكفاية، نطاقات الترددات المحرمة، كما دعا العصابات توقف، قد تتداخل في كل الاتجاهات لخلق PBG، ومنع وجود الفوتونات من ترددات معينة.
من الناحية النظرية، EM الموجات في البلورات الضوئية يشبه الإلكترون انتشار الموجات في المواد أشباه الموصلات، والتي لها المنطقة المحرمة الطاقات الإلكترون، والمعروف أيضا باسم فجوة الحزمة. على غرار الطريقة التي يعمل مهندسا أشباه الموصلات لمراقبة وتعديل تدفق الإلكترونات عبر أشباه الموصلات والمواد PBG يمكن استخدامها لمختلف التطبيقات التي تتطلب السيطرة البصرية. على سبيل المثال، يمكن حصر المواد PBG ضوء ترددات معينة في تجاويف حجم الطول الموجي، وتوجيه أو ضوء فلتر على طول خط عيوب فيها 5. واقترح PBG المواد لاستخدامها في التحكم في تدفق ضوء للتطبيقات في الاتصالات السلكية واللاسلكية 6، ليزر 7، والدوائر البصرية والحوسبة البصرية 8، وحصاد الطاقة الشمسية 9.
A-ثنائي الأبعاد (2D) شعرية مربع الكريستال الضوئية لديه التماثل التناوب 4 أضعاف. موجات EM دخول الكريستال في زوايا مختلفة من الإصابة (على سبيل المثال، 0 درجة و 45 درجة فيما يتعلق الطائرات شعرية) ستواجه دوريات مختلفة. براج تشتت في اتجاهات مختلفة يؤدي إلى وقف عصابات من الأطوال الموجية المختلفة التي قد لا تتداخل في كل الاتجاهات لتشكيل PBG، دون عال جدا الانكسار مؤشر على النقيض من المواد. بالإضافة إلى ذلك، في الهياكل 2D، اثنين من مختلف الاستقطابات موجة EM، مستعرضة الكهربائية (TE) والعرضي المغناطيسي (TM)، وغالبا ما تشكل bandgaps على ترددات مختلفة، مما يجعلها أكثر صعوبة لتشكيل PBG كاملة في كل الاتجاهات لجميع الاستقطابات 5. في الهياكل الدورية، والخيارات محدودة من التماثل التناوب تؤدي إلى تباين جوهري (انجولاالاعتماد ص)، الأمر الذي يجعل ليس فقط من الصعب لتشكيل PBG كاملة، ولكن أيضا يحد كثيرا من حرية تصميم عيوب وظيفية. على سبيل المثال، ثبت التصاميم الدليل الموجي إلى أن يقتصر على خيارات محدودة جدا من الاتجاهات الرئيسية التماثل في البلورات الضوئية 10.
من وحي لتجاوز هذه القيود بسبب تواترها، وقد تم إجراء الكثير من البحوث في السنوات ال 20 الماضية على المواد PBG غير تقليدية. مؤخرا واقترح فئة جديدة من المواد المختلين لتمتلك الخواص الكامل PBG في غياب دورية أو quasiperiodicity: اضطراب hyperuniform (HD) هيكل PBG 11. العصابات الضوئية لا يكون الحل التحليلي المحدد في الهياكل الاضطراب. الدراسة النظرية من الخصائص الضوئية للهياكل المختلين يقتصر على المحاكاة العددية تستغرق وقتا طويلا. لحساب العصابات، تحتاج إلى محاكاة تستخدم طريقة تقريب خلايا فائقة وافاعيالقوة الحسابية علامة مميزة قد تحد من حجم محدود من الخلية الفائقة. لحساب انتقال العدوى عن طريق هذه الهياكل، المحاكاة الحاسوبية غالبا ما تحمل ظروف مثالية ومشاكل العالم الحقيقي وبالتالي إهمال مثل اقتران بين المصدر وكاشف، الحادث الفعلي EM موجة الشخصية، والمواءمة عيوب 12. وعلاوة على ذلك، فإن أي تعديل (تصميم عيب) لمحاكاة هيكل يتطلب جولة أخرى من المحاكاة. نظرا لحجم كبير من الحد الأدنى للمعنى لخلية فائقة، فمن مملة جدا وغير عملي لاستكشاف منهجي مختلف أبنية تصميم عيب لهذه المواد المختلين.
يمكننا تجنب هذه المشكلات الحسابية من خلال دراسة الهياكل الضوئية المختلين تجريبيا. من خلال تجاربنا نحن قادرون على التحقق من وجود PBG كامل في الهياكل HD. تجارب باستخدام الميكروويف، ويمكننا أيضا الحصول على معلومات تكشف عن مرحلة وزعته الحقليسود تبادل وتشتت خصائص الدول الضوئية الموجودة فيها. باستخدام عينة بسهولة للتعديل وحدات في سم النطاق، يمكننا اختبار مختلف والدليل الموجي تجويف (عيب) تصاميم في النظم المختلين وتحليل متانة PBGs. هذا النوع من تحليل الهياكل المعقدة الضوئية المختلين هو إما غير عملي أو من المستحيل الحصول عليها من خلال الدراسات العددية أو النظرية.
عملية التصميم تبدأ من خلال اختيار نمط نقطة "التخفي" hyperuniform 13. أنماط نقطة Hyperuniform هي النظم التي التباين عدد من النقاط ضمن "كروية" نافذة أخذ العينات من دائرة نصف قطرها R، وينمو ببطء أكثر من نافذة لحجم كبير R، أي ببطء أكثر من R د في د الأبعاد. على سبيل المثال، في توزيع بواسون 2D عشوائية نمط نقطة، والتباين في عدد من النقاط في المجال R يتناسب مع R <سوب> 2. ومع ذلك، في نمط نقطة اضطراب hyperuniform، التباين من النقاط في إطار نصف قطرها R، R يتناسب مع الشكل 1 يبين مقارنة بين نمط hyperuniform نقطة المختلين ونمط نقطة بواسون 11. نستخدم فئة فرعية من أنماط نقطة المختلين hyperuniform يسمى "التخفي" 11.
باستخدام بروتوكول تصميم وصفها في Florescu 11 آخرون، ونحن بناء شبكة من الجدران العازلة للكهرباء وقضبان، وخلق بنية عازلة hyperuniform 2D يشبه الكريستال، ولكن من دون القيود الملازمة لتواترها والخواص. الشبكات جدار مواتية لTE-الاستقطاب ذات فجوة الحزمة، في حين أن قضبان هي الأفضل لتشكيل الثغرات الفرقة مع TM-الاستقطاب. وقد تم تطوير تصميم وحدات، بحيث عينات يمكن تعديلها بسهولة للاستخدام مع استقطابات مختلفة وانترودucing الدليل الموجي حر والعيوب تجويف. بسبب الثابتية حجم معادلات ماكسويل، والخصائص الكهرومغناطيسية التي لوحظت في نظام الميكروويف قابلة للتطبيق مباشرة إلى أنظمة الأشعة تحت الحمراء والبصرية، حيث سيتم تحجيم العينات إلى ميكرون وsubmicron الأحجام.
Protocol
Representative Results
Discussion
بدءا من نمط نقطة المختلين hyperuniform، 2D HD الهياكل تتكون قضبان و / أو يمكن تصميم شبكة جدار للحصول على PBG الكامل لجميع الاستقطاب 11. على أساس تصميم، اقمنا قالب مع ثقوب وفتحات لتجميع قضبان 2D الألومينا وهياكل الجدران في سم النطاق التي يمكن اختبارها مع أفران ميكروويف. اختر…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل جزئيا من قبل مؤسسة البحوث للعلوم تقدم (المنحة 10626)، المؤسسة الوطنية للعلوم (DMR-1308084)، وجائزة الداخلية جامعة ولاية سان فرانسيسكو لWM نشكر لدينا متعاون بول م Chaikin من جامعة نيويورك لإجراء مناقشات مفيدة في التصميم التجريبي وتوفير نظام VNA بالنسبة لنا لاستخدامها في الموقع في SFSU. نشكر المتعاونين لدينا النظرية، مخترع المواد HD PBG، ماريان Florescu، بول م ستنهاردت، وسال توركواتو للمناقشات مختلفة وتزويدنا تصميم نمط HD نقطة والمناقشات مستمرة.
Materials
| stereolithography machine | 3D Systems | SLA-7000 | |
| resin for base | 3D Systems | Accura 60 | |
| Alumina rods | r=2.5mm, cut to 10.0cm height | ||
| Alumina sheets | thickness 0.38mm, various width: from 1.0mm to 5.3mm with 0.2mm incerments | ||
| Microwave Generator | Agilent/HP | 83651B | |
| S-Parameter Test set | Agilent/HP | 8517B | |
| Microwave Vector Network Analyzer | Agilent/HP | 8510C |
References
- Strut, J. W. . The propagation of waves through a Medium Endowed with a Periodic structure. Philosophical magazine. XXIV, 145-159 (1887).
- Yablonovitch, E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics. Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).
- Yablonovitch, E., Gmitter, T. J. Photonic band structure: The face-centered-cubic case. Phys. Rev. Lett. 63, 1950-1953 (1989).
- Sajeev, J. Strong localization of photons in Certain Disordered Dielectric super lattices. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
- Joannopoulos, J., Johnson, S. G., Winn, J. N., Mead, R. D. . Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. , 243-248 (2008).
- Noda, S., Chutinan, A., Trappin Imada, M. emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure. Nature. 407, 608-610 (2000).
- Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seeling, E. W., Wang, Q. H., Chang, R. P. Random laser action in semiconductor powder. Phys. Rev. Lett. 82, 2278-2281 (1999).
- Chutinan, A., John, S., Toader, O. Diffractionless flow of light in all-optical microchips. Phys. Rev. Lett. 90, 123901 (2003).
- Vynck, K., Burresi, M., Riboli, F., Wiersma, D. S. Photon management in two-dimensional disordered media. Nature Mater. 11, 1017-1022 (2012).
- Ishizaki, K., Koumura, M., Suzuki, K., Gondaira, K., Noda, S. Realization of three-dimensional guiding of photons in photonic crystals. Nature Photon. 7, 133-137 (2013).
- Florescu, M., Torquato, S., Steinhardt, P. J. Designer disordered materials with large, complete PBGs. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 20658-20663 (2009).
- Man, W., Megens, M., Steinhardt, P. J., Chaikin, P. M. Experimental measurement of the photonic properties of icosahedral quasicrystals. Nature. 436, 993-996 (2005).
- Torquato, S., Stillinger, F. H. Local density fluctuations, hyperuniformity, and order metrics. Phys. Rev. E. 68, 041113 (2003).
- Man, W., et al. Isotropic band gaps and freeform waveguides observed in hyperuniform disordered photonic solids. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 15886-15891 (2013).
- Freeform wave-guiding and tunable frequency splitting in isotropic disordered photonic band gap materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online) Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh2G.5 (2012)
- Cavity Modes Study in Hyperuniform Disordered Photonic Bandgap Materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online) Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh3F.4 (2012)
- Man, W., et al. Photonic band gap in isotropic hyperuniform disordered solids with low dielectric contrast. Opt. Express. 21, 19972-19981 (2013).
- Man, W., et al. Experimental observation of photonic bandgaps in Hyperuniform disordered materials. , (2010).
- Schelew, E., et al. Characterization of integrated planar photonic circuits fabricated by a CMOS foundry. Journal of Lightwave Technology. 31 (2), 239 (2013).
- Guo, Y. B., et al. Sensitive molecular binding assay using a photonic crystal structure in total internal reflection. Opt. Express. 16, 11741-11749 (2008).
