Фотонные кристалы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

Кафедра сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники (СВЧиКР)

Реферат на тему:

Фотонные кристаллы. Применение в СВЧ-диапазоне.

Выполнила студент гр.152:

Полонская Д.Л.

Томск, 2014-2015.

Оглавление

Оглавление 2

ВВЕДЕНИЕ. 3

1.ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЫ. 5

2. Обнаружение преимущества фотонных кристаллов в роли теплоизоляторов. 8

Заключение. 10

Список литературы. 11

ВВЕДЕНИЕ.

В последние десятилетия интенсивно проводятся исследования свойств, так называемых, фотонных кристаллов, которые характеризуются наличием частотных зон разрешенных состояний (полос пропускания) и запрещенных зон (полос запирания). Свойства фотонных кристаллов связаны с периодическим расположением образующих их элементов. Это открывает новые возможности создания различного типа устройств, в которых используются свойства, характерные для фотонных кристаллов в различных частотных диапазонах. Нарушение периодичности в фотонном кристалле, например, вследствие наличия в нем одного из элементов с отличающимися от других свойствами приводит к появлению в полосе запирания частоты, на которой возможно прохождение волны со сравнительно низким затуханием. Такого типа фотонные кристаллы с использованием элементов на основе различных типов линий передачи созданы, в том числе, и для СВЧ диапазона.СВЧ фотонные кристаллы были использованы для создания высоконаправленных антенн, СВЧ-фильтров, улучшения характеристик СВЧ-детекторов, усилителей и т.д. Возможность рассчитывать характеристики фотонных кристаллов с точностью, позволяющей обеспечить хорошее совпадение с экспериментом, была использована для неразрушающего контроля структур с нанометровыми полупроводниковыми слоями. При этом контролируемые структуры являлись элементами, нарушающими периодичность фотонного кристалла. Высокая чувствительность СВЧ фотонного кристалла к характеристикам структуры была обусловлена тем, что нарушающая периодичность неоднородность приводила к появлению высокоселективного резонансного прохождения излучения через кристалл, сильно зависящего от параметров структуры. Недостатком измерительной системы с фотонным кристаллом является низкая локальность измерений, определяемая площадью поперечного сечения волновода. Этот недостаток отсутствует, если измерения проводить с использованием ближнеполевого сканирующего СВЧ-микроскопа. Такого рода измерительная система позволяет обеспечить высокую локальность, определяемую примерно удвоенной площадью кончика зонда, для повышения чувствительности соединенного с резонатором. Стоит отметить, что возможность использования в ближнеполевом сканирующем СВЧ-микроскопе в качестве высокоселективной системы СВЧ фотонного кристалла ранее не рассматривалась. Можно прогнозировать, что создание такого микроскопа, наряду с высокой локальностью измерений, позволит повысить его чувствительность при измерении слоев с толщинами в единицы нанометров и с малыми значениями диэлектрической проницаемости.

1.ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЫ.

Фотонные кристаллы относятся к классу метаматериалов и представляют собой искусственно созданные периодические структуры с периодом, сравнимым с длиной распространяющегося в них электромагнитного излучения. Для этих структур свойственно периодическое изменение, как диэлектрической проницаемости слоев, так и их геометрических размеров. При взаимодействии электромагнитного излучения с такого рода структурами в спектрах отражения и прохождения наблюдается ярко выраженное чередование разрешенных и запрещенных для распространения электромагнитного излучения частотных диапазонов. По аналогии с реальными кристаллами, частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны, получила название фотонной запрещенной зоны. При внесении нарушения («неоднородности») в периодичность структуры фотонного кристалла, которое может быть представлено в виде изменения геометрических размеров и/или электрофизических параметров одного или нескольких слоев, в запрещенной зоне фотонного кристалла возникает резонансная особенность – узкое «окно прозрачности», также называемая «примесной модой колебаний». Положение и форма «окна прозрачности»определяется геометрией и электрофизическими параметрами вносимого нарушения периодичности.

Фотонный кристалл - это оптическая среда, в которой происходит периодическое изменение коэффициента преломления на масштабе, сопоставимом с длиной волны света видимого и ближнего инфракрасного диапазонов

Ключевое требование к фотонным кристаллам – это периодичность структуры нанано(микро)уровне, которая обуславливает уникальные дифракционные свойства этих материалов. Практическое использование фотонных кристаллов должно привести к значительному повышению эффективности светодиодов и лазеров, созданию новых типов световых волноводов, оптических переключателей и фильтров с перспективой создания устройств цифровой вычислительной техники на основе фотонных элементов. На микрофотографии хорошо видны внутренние плоскости фотонного кристалла как с кубическим, так и гексагональным упорядочением. В «нанодоме» хорошо видны «наноокна» – незанятые позиции (вакансии) в упаковке микросфер.

2. Обнаружение преимущества фотонных кристаллов в роли теплоизоляторов.

Фотонные кристаллы – периодические структуры, использующиеся для изменения частоты света (а с недавних пор – ещё и звука) в узком диапазоне. По расчётам специалистов, эти кристаллы также могут эффективно блокировать широкий спектр частот инфракрасного диапазона (иллюстрация Nature).

Физики из Стэнфорда (Stanford University) обнаружили что структуры, известные как фотонные кристаллы, способны блокировать тепловой поток даже более эффективно, чем вакуум.

В, опубликованной Physical Review, статье учёные представляют расчёты, показывающие, что теплопроводность образца, как ни странно, не зависит от толщины отдельных слоёв кристалла, а главное в статье – их показатели преломления.

Таким образом, при использовании 100-микрометровой полоски, состоящей из 10 слоёв кремния толщиной микрометр, перемежаемых с вакуумом, теплопередача через данный материал должна снизиться примерно вдвое по сравнению с использованием одного вакуума (в условиях комнатной температуры).

Поясним: горячий суп в термосе окружён вакуумом, заключённым между внутренней и внешней стенками, что препятствуют передаче тепла. Но суп остывает ещё и благодаря инфракрасному излучению (обычно с ним борются отражающим покрытием колбы). Фотонные кристаллы должны помочь разрешить эту проблему по-новому, с большей эффективностью. И хотя бытовые термосы прекрасно обойдутся без нанотехнологий, новая ипостась фотонных кристаллов пригодится в приборостроении и электронике. Нетривиальное применение фотонных кристаллов в последнее время всё более распространяется – не так давно мы рассказывали о том, как они помогают вырабатывать электричество и служат необычными украшениями.

Фото браслета с опалом. Опал представляет собой природный фотонный кристалл.

Заключение.

Таким образом можно с уверенностью сказать, что тема "фотонные кристалы, сфера их применения" ещё долго будет актуальна. Области применения фотонных кристалов с каждым днём расширяются.

Изучение свойств фотонных кристалов очень интересная тема, которая может быть взята для дипломных работ или научных дисертаций.

В настоящее время проводится ряд экспериментов в разных отраслях науки по изучению применения фотонных кристалов.

Данный реферат был написан с целью ознакомления с фотонными кристалами и их применения в СВЧ-диапазоне, путём обзора различных статей и научных работ.

Список литературы.

1. http://www.membrana.ru/particle/14455

2. http://www.chem.msu.su/rus/teaching/goodilin1/photo.pdf

3. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

"СТРУКТУРЫ С ФОТОННОЙ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНОЙ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В БЛИЖНЕПОЛЕВОЙ СВЧ-МИКРОСКОПИИ". (Фролов Александр Павлович, Саратов – 2014).

4. Автореферат. "Микрополосковые фотонные структуры СВЧ-диапазона и их использование для измерения параметров диэлектриков" (Куликов, Максим Юрьевич, Саратов, 2011год).