ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЗАДАННЫМИ ДЛИНАМИ ВОЛН

Полезная модель относится к области оптических устройств, предназначенных для управления излучением, точнее - к оптическим устройствам, использующим для управления электромагнитным излучением фотонные кристаллы.
Фотонные кристаллы (ФК) представляют интерес как для фундаментальных исследований, так и для различных применений в оптической связи, лазерных технологиях, как основа для создания принципиально новых устройств и приборов. В частности, наличие запрещенной зоны в плотности электромагнитных состояний в заданной области частот обуславливает эффект локализации света, что позволяет осуществлять контроль спонтанного излучения внутри фотонного кристалла и открывает пути возможных применений в области разработки новых базовых элементов для информационно-телекоммуникационных систем, к созданию низкопороговых лазерных излучателей для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, устройств для управления световыми потоками.
Фотонные кристаллы принято называть «полупроводниками для света», подразумевая аналогии в физических свойствах и прикладных возможностях ФК и полупроводников. Эти аналогии основываются на наличии у ФК зонной структуры, содержащей спектральные диапазоны, запрещенные для распространения электромагнитного излучения в определенных кристаллографических направлениях (так называемые стоп-зоны), либо во всех направлениях в решетке (случай полной фотонной зоны). При этом достоинством ФК является возможность достаточно точно рассчитывать фотонную зонную структуру, а также спектры пропускания и отражения, как с помощью хорошо разработанных численных методов, так, в ряде случаев, и аналитически на основании данных о структуре и диэлектрических параметрах компонент, образующих ФК. В результате таких расчетов было установлено, что ширину и сам факт существования фотонных стоп-зон (ФСЗ) определяет ряд параметров, в числе которых величина контраста диэлектрической проницаемости различных компонент ФК и симметрия кристаллической решетки [M.V. Rybin, A.V. Baryshev, A.B. Khanikaev, M. Inoue, K.B. Samusev, A.V. Sel'kin, G. Yushin, and M.F. Limonov Selective Manipulation of Stop-Bands in Multi-Component Photonic Crystals: Opals as an Example. Phys. Rev. B, 77, 205106 (1-15) (2008)].
Одним из наиболее изученных и используемых в настоящее время классов трехмерных ФК являются синтетические опалы и подобные им структуры, представляющие собой ансамбль плотно упакованных одинаковых сферических частиц, центры которых образуют кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку.
В настоящее время актуальной является задача управление излучением лазеров как основной частоты, так и второй гармоники, имеющей вдвое меньшую длину волны. При этом важны размеры управляющего потоком излучения устройства: оно должно быть возможно более миниатюрным.
Известно оптическое устройство для управления излучением /патент WO0227384/, представляющее собой трехмерный опалоподобный фотонный кристалл, образованный из геля, заполненного сферами из диоксида кремния (кварца), титаната бария или содержащего сферические пустоты. Управление положением фотонной зоны ФК в указанном устройстве и, соответственно, длиной волны проходящего излучения осуществляется за счет изменения геометрии структуры вследствие механической деформации при приложении внешней силы к пластичной гелеобразной субстанции, являющейся заполнителем межсферного пространства фотонного кристалла.
Недостатком этого аналога является необходимость использования сложной, содержащей контур обратной связи, системы управления пьезоэлементом, обеспечивающим требуемое механическое воздействие, а также активного термостатирования контейнера с фотонным кристаллом. Кроме того, данное устройство может использоваться для управления излучением лишь одной длины волны, соответствующей выбранной фотонной зоне.
Известно оптическое устройство /патент US7064886/, взятое за прототип, для управления одновременно световыми потоками с различными длинами волн. Каждая длина волны управляется отдельной фотонно-кристаллической структурой, представляющей собой трехмерную опалоподобную структуру, составленную из коллоидных полистироловых сфер, пространство между которыми заполнено электрооптическим материалом. При приложении электрического поля изменяется диэлектрическая проницаемость заполнителя и, как следствие, ширина фотонной зоны.
Недостатком этого устройства является то, что для решения задачи управления излучением нескольких длин волн необходимо использование соответствующего им числа управляющих фотонно-кристаллических структур с отличающимися геометрическими параметрами, поскольку здесь, как и в описанном выше устройстве /патент WO0227384/, для управления световым потоком каждой длины волны используется своя структура с одной управляемой фотонной зоной, что приводит к увеличению размеров устройства.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение функциональных возможностей управления потоком электромагнитного излучения с заданными длинами волн за счет управления двумя длинами волн (λ и λ/2) с помощью одной структуры (селективное управление), а также уменьшение размеров устройства.
n
c
f
f
f1
f2
n
c
Задача решается фотонно-кристаллической структурой для управления потоком электромагнитного излучения с заданными длинами волн, представляющей собой трехмерный опалоподобный фотонный кристалл, плоскость (111) которого расположена с возможностью нормального падения на нее потока излучения, состоящий из сфер с оболочками и заполнителя пространства между ними, имеющих различные диэлектрические проницаемости ε, ε и ε, соответственно, причем диэлектрическая проницаемость ε имеет диапазон изменения от ε до ε при приложении внешнего воздействия, значения ε и ε удовлетворяют соотношениям:
n
c
а радиусы сфер и оболочек, R и R, соответственно, удовлетворяют соотношениям:
n
c
R=0,58R
где: λ - длина волны управляемого электромагнитного излучения, нм.
1
2
th
В структурах, состоящих из двух однородных компонент, периодически чередующихся в пространстве, при совпадении величины диэлектрической проницаемости обеих компонент ε=ε среда становится оптически прозрачной, и все ФСЗ с индексами Миллера (hkl) [С.Kittel. "Introduction to Solid State Physics" 4ed. John Wiley & Sons, Inc. New York (1971).] пропадают одновременно, т.е. являются вырожденными в шкале диэлектрической проницаемости. Следствием такого вырождения является невозможность селективного управления различными (hkl) ФСЗ путем варьирования диэлектрической проницаемости одной из компонент в двухкомпонентных ФК. Новые свойства ФСЗ, как установлено авторами, появляются при переходе от двухкомпонентного к трехкомпонентному составу, а также к еще более сложным структурам. В многокомпонентных ФК наблюдается расщепление ФСЗ в шкале диэлектрической проницаемости, благодаря чему появляется возможность управления световыми потоками путем селективного выключения одной или нескольких конкретных (hkl) ФСЗ. Это означает, что путем изменения диэлектрической проницаемости одной из компонент можно обеспечить прозрачность ФК для одной из нескольких (например, двух) заданных длин волн.
Один из эффектов, состоящий в возможности селективного выключения определенных фотонных стоп-зон путем изменения оптических свойств заполнителя пространства между сферами, с окружающими их сферическими оболочками, опалоподобного кристалла, положен в основу предлагаемого технического решения. В частности, фотонные зоны (111) и (222), отвечающие нормальному падению излучения с длинами волн λ, и λ/2 на кристаллографическую плоскость (111) опалоподобного трехкомпонентного фотонного кристалла, исчезают при различных значениях диэлектрической проницаемости заполнителя. Поскольку пропадание фотонной зоны означает появление окна прозрачности в фотонном кристалле для излучения соответствующей длины волны, этот эффект может быть использован для управления излучением двух длин волн, отличающихся вдвое, с помощью одной фотонно-кристаллической структуры. В отличие от известных фотонно-кристаллических структур, оперирующих потоком электромагнитного излучения единственной длины волны, предлагаемая в заявке структура обеспечивает возможность управления излучением двух длин волн, отличающихся в два раза, например, первой и второй гармоник лазера.
f
В качестве способов управления величиной диэлектрической проницаемости заполнителя ε могут быть использованы электрооптический эффект Керра; электрооптический эффект в жидкокристаллической среде (в случае использования электрического поля в качестве управляющего воздействия); акустооптический эффект (в случае использования ультразвуковой волны в качестве управляющего воздействия); любые другие физические эффекты, приводящие к изменению диэлектрической проницаемости однородной среды заполнителя в результате внешнего управляющего воздействия.
f
f1
f2
f
f1
f
f2
Изменяя с помощью внешнего воздействия диэлектрическую проницаемость заполнителя, можно добиться того, что для направления, перпендикулярного плоскости (111), в некоторые моменты времени структура будет становиться прозрачной для излучения с заданной длиной волны, когда пропадает соответствующая фотонная стоп-зона, т.е., изменяя ε с помощью внешнего воздействия между значениями ε и ε, можно добиться того, что ФК станет прозрачным для излучения с длиной волны λ и непрозрачным для λ/2, и наоборот. Авторы выявили соотношения (вариант 1), которые соответствуют случаю, когда ФСЗ (111) при внешнем воздействии пропадает при значении ε=ε и, следовательно, фотонный кристалл становится прозрачным для излучения с длиной волны λ, а ФСЗ (222) пропадает при ε=ε, и фотонный кристалл становится прозрачным для излучения с длиной волны λ/2.
n
c
f
f
f1
f2
n
c
Задача также решается фотонно-кристаллической структурой для управления потоком электромагнитного излучения с заданными длинами волн, представляющей собой трехмерный опалоподобный фотонный кристалл, плоскость (111) которого расположена с возможностью нормального падения на нее потока излучения, состоящий из сфер с оболочками и заполнителя пространства между ними, имеющих различные диэлектрические проницаемости ε, ε и ε, соответственно, причем диэлектрическая проницаемость ε имеет диапазон изменения от ε до ε при приложении внешнего воздействия, значения ε и ε удовлетворяют соотношениям:
n
c
а радиусы сфер и оболочек, R и R, соответственно, удовлетворяют соотношениям:
n
c
R=0,58R
где: λ - длина волны управляемого электромагнитного излучения, нм.
n
c
f
f2
f
f1
Во втором, симметричном, варианте значения ε и ε соответствует случаю, когда ФСЗ (111) пропадает при ε=ε, и, следовательно, фотонный кристалл становится прозрачным для излучения с длиной волны λ, а ФСЗ (222) пропадает при ε=ε, и фотонный кристалл становится прозрачным для излучения с длиной волны λ/2.
Значениям диэлектрических проницаемостей сфер и оболочек сфер, составляющих структуру фотонного кристалла в обоих вариантах, соответствуют две пары соответствующих материалов, прозрачных в требуемом диапазоне длин волн. Обе пары решений математически эквивалентны между собой и выбор одной из них при изготовлении фотонно-кристаллической структуры может быть сделан на основе любых разумных соображений, например технологических, доступности материалов, цены и т.п.
Предлагаемая фотонно-кристаллическая структура работает следующим образом.
f
f
f1
f
f2
Фотонно-кристаллическая структура с веществом в качестве заполнителя, прозрачным для длин волн управляемого потока излучения и имеющим изменяемую при внешнем воздействии диэлектрическую проницаемость, помещается для осуществления внешнего воздействия, например, электрического поля, между двумя прозрачными электродами, к которым приложено напряжение, что приводит к появлению электрического поля, вектор которого направлен параллельно волновому вектору падающего излучения. Структура ориентирована так, что ее кристаллографические плоскости (111) расположены нормально к волновому вектору падающего излучения, представляющего собой, например, суперпозицию первой и второй гармоник лазера. При изменении напряжения в пределах, обеспечивающих вариацию ε в интервале от ε=ε до ε=ε, на выходе ФК получают излучение, в одни моменты времени состоящее преимущественно из первой гармоники лазера, а в другие моменты времени - преимущественно из второй.
Примеры реализации.
Пример 1.
3+
На основе предлагаемой структуры был создан фотонно-кристаллический переключатель с учетом рассчитанных параметров опалоподобного трехкомпонентного трехмерного фотонного кристалла для переключения излучения первой и второй гармоник Nd лазера: λ≅1064нм и λ/2≅532нм.
f1
f2
n
c
Кристаллографическая плоскость (111) фотонного кристалла располагалась так, чтобы падающее излучение было нормально к ней. В качестве заполнителя была выбрана жидкость N-(пара-метоксибензилиден)-пара-бутиланилин (сокращенно МББА), образующую нематический жидкий кристалл, обладающий различными показателями преломления, а значит, и диэлектрическими проницаемостями, в направлениях вдоль и поперек оптической оси. Прикладывая электрическое поле вдоль направления, совпадающего с направлением потока управляемого излучения (падающей световой волны в данном случае), можно менять параметр ориентационного порядка молекул МББА и, тем самым, управлять диэлектрической проницаемостью заполнителя [L.M. Blinov and V.G. Chigrinov, Electro-Optic Effects in Liquid Crystal Materials (Springer, New York, 1994).]. Для выбранного материала заполнителя с диапазоном изменения диэлектрической проницаемости от ε=2,25 до ε=2,56 найдены диэлектрические проницаемости материала сфер ε и оболочек ε, составляющих структуру фотонного кристалла из соотношений:
n
c
Их величины: ε=2,241, ε=2,433.
n
с
Соответствующие им показатели преломления составляют n=1,497, n=1,560. Из требуемых показателей преломления, выбрана подходящая пара материалов из числа стандартных оптических стекол, прозрачных в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Из справочных данных [Физические величины. Справочник. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З. Мейлихова. Энергоатомиздат.М., 1991.] найдены подходящие марки стекла: К8 для сфер и ТК2 - для оболочек. Абсолютные геометрические размеры фотонно-кристаллической структуры определены из соотношений:
n
c
R=0,58R
с
n
Их величины составляют: R=210нм и R=122нм.
f1
f2
Под воздействием изменяющегося по величине напряжения при ε=2,25 структура была прозрачна для λ≅1064нм, а при ε=2,56 - для λ/2≅532нм.
Пример 2.
n
c
То же, что в примере 1, но диэлектрические проницаемости материала сфер ε и оболочки ε сфер, составляющих структуру фотонного кристалла, удовлетворяют соотношениям:
n
c
ε=2.572, ε=2.357.
n
с
с
n
f1
f2
Соответствующие им показатели преломления составляют n=1,604, n=1,535. Подходящая пара материалов - ТК16 и БК8 соответственно, а R=210нм и R=122нм. Под воздействием напряжения при ε=2,25 структура была прозрачна для λ/2≅532нм, а при ε=2,56 - для λ≅1064нм.
Заметим, что для обеих пар найденных значений диэлектрических проницаемостей расчет дает практически одинаковые геометрические размеры.
Таким образом, все компоненты и геометрические параметры вариантов переключающей фотонно-кристаллической структуры определены, и одна и та же структура (варианты) может переключать излучение с двумя длинами волн.
Предлагаемая полезная модель может найти применение в области оптической связи, в системах лазерной локации, дистанционного зондирования атмосферы и других подобных областях, связанных с анализом излучения, прошедшего через среду с различной степенью прозрачности для длин волн в различных спектральных диапазонах.