Можливості практичного застосування фотонних кристалів

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ, СИМВОЛІВ, ОДИНИЦЬ, СКОРОЧЕНЬ І ТЕРМІНІВ

ВСТУП

РОЗДІЛ І. ПОНЯТТЯ ПРО ФОТОННИЙ КРИСТАЛ, ОПТИЧНУ ЛАУЕГРАМУ ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ

1.1 Теоретичні відомості про фотонний кристал

Перелік умовних позначень, символів, одиниць, скорочень і термінів

Бреггівська дифракція - явище сильного розсіювання хвиль на періодичній ґратці розсіювачів при певних кутах падіння й довжинах хвиль. Найпростіший випадок Бреггівської дифракції виникає при розсіюванні світла на дифракційній ґратці. Аналогічне явище спостерігається при розсіюванні рентгенівських променів, електронів, нейтронів тощо на кристалічній ґратці. фотонний кристал оптичний лауеграма

Гратки метод у квантовій теорії поля - метод проведення обчислень і аналізу якісних властивостей різних моделей в основному в теоріях калібрувальних полів, включаючи квантову хромодинаміку, що ґрунтується на апроксимації неперервного її простору-часу дискретною сукупністю точок -- граткою. Найчастіше використовуються кубічна гратка, точки якої (які звуться вузлами) розташовані у вершинах кубів, що заповнюють простір. Найкоротший проміжок між сусідніми вузлами зветься ребром, а довжина ребра -- кроком гратки.

Заломлення показник (заломлення коефіцієнт) - оптична характеристика середовища, пов'язана із заломленням світла на межі поділу двох середовищ при переході його з одного середовища в інше й зумовлена відмінністю фазових швидкостей поширення світла С1 і С2 у середовищах.:

Заломлення хвиль (рефракція хвиль) - зміна напрямку поширення хвилі в неоднорідному середовищі, зумовлена залежністю фазової швидкості хвилі від координат.

Заломлення світла - зміна напрямку поширення світлової хвилі (світлового променя) при проходженні через межу подіту двох різних прозорих середовищ.

Змішані кристали кристали нестехіометричного (змінного) складу. Змішані кристали одержують при спільній кристалізації двох і більше речовин, близьких за хімічними і кристалографічними ознаками.

Оптична лауеграмма - лауеграмми, дифракційне зображення нерухомого монокристалу, отримане за допомогою рентгенівських променів.

Пропускання в оптиці - проходження крізь середовище оптичного випромінювання без зміни набору частот складових монохроматичних випромінень і їх відносних інтенсивностей.

Пропускання коефіцієнт середовища ( ф) - відношення потоку випромінювання Ф, що пройшло крізь середовище, до потоку Ф₀, що впав на її поверхню: ф = Ф/Ф₀.=

Проста форма кристалу - сукупність симетрично-еквівалентних площин (граней багатогранника), які можна одержати з однієї за допомогою операцій симетрії, властивих точковій групі симетрії кристалу.

Просторова ґратка - нескінченна сукупність точок (вузлів), розташованих по вершинах рівних паралелепіпедів, складених рівними гранями і таких, що заповнюють простір без проміжків; найпростіша схема будови кристалу.

Рентгенівська оптика - область досліджень, у якій вивчаються явища і процеси розповсюдження рентгенівського випромінювання при його взаємодії з речовиною, а також розробляються елементи для рентгенівських приладів. При розгляді питань рентгенівської оптики рентгенівський діапазон умовно поділяють на 3 області довжин хвиль л.: область жорсткого - ЖР (0,01 < л < 1 нм). м'якого - МР (1 < л<30 нм) і ультрам'якого - УМР (30 < л < 100 нм) рентгенівського випромінювання.

Рентгенівська спектральна апаратура - апаратура дня рентгенівської спектроскопи і рентгеноспектрального аналізу; у якій рентгенівське випромінювання досліджуваного об'єкта (чи рентгенівське випромінювання неперервного спектру, що пройшло через досліджуваний об'єкт) розкладається в спектр, реєструється й аналізується.

Рентгенівські стоячі хвилі - стоячі хвилі, що виникають у досить товстих монокристалічних пластинах при падінні на них “жорсткого” рентгенівського випромінювання (з довжиною хвилі л ~ 5 - 20 нм) під кутом Брегга (при виконанні Брегга - Вульфа умов) і здійсненні в них динамічної дифракції рентгенівських променів. Метод рентгенівських стоячих хвиль - перспективний метод дослідження структури речовини.

Рентгенівський гоніометр - прилад для одночасної реєстрації дифрагованого на досліджуваному зразку рентгенівського випромінювання і положення зразка в момент виникнення дифракції.

Рентгенівський дифрактометр - прилад для вимірювання інтенсивності й напрямку рентгенівських пучків, що дифрагували на досліджуваному зразку. Застосовується для вирішення різних задач рентгенівського структурного аналізу, рентгенографії матеріалів, дослідження реальної структури монокристал їв.

Рентгенівське випромінювання (рентгенівські промені) - електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між УФ- і гамма-випромінюванням у межах довжин хвиль л від 10² до І0^-3 нм (або енергією фотонів hv від 10 еВ до декількох МеВ; v = с/ л - частота випромінювання). Рентгенівське випромінювання з л < 0,2 нм має значну проникальну здатність і називається жорстким; при л > 0,2 нм рентгенівське випромінювання сильно поглинається речовиною і називається м'яким .=

Симетрія кристалів - властивість кристалів суміщуватися із самим собою при поворотах, відображеннях, паралельних переносах або при частині чи комбінації цих операцій. Сукупність операцій симетрії даного кристала утворює групу симетрії G у розумінні математичної теорії груп. Точкові групи симетрії G³₀ описують зовнішню форму кристалів; просторові групи симетрії G³₃ описують атомну структуру кристалів.

Синтетичні кристали - кристали, вирощені в лабораторних чи заводських умовах. Мають таку ж атомну будову, що і природні, часто є більш досконалими.

Систематика кристалів - поділ кристалів за геометричними і фізичними ознаками. В кристалофізиці користуються поділом кристалів на 7 систем (сингоній) за характером констант гратки; на 32 класи кристалів - за макросиметрією і на 230 просторових груп за мікросиметрією.--

Спектроскопія кристалів - розділ оптики, який досліджує енергетичні стани та переходи між станами в іонних, валентних та молекулярних (зокрема органічних) кристалах шляхом спостереження оптичних спектрів поглинання, відбивання, люмінесценції, розсіювання. Спектроскопія кристалів поділяється на спектроскопію коливальних рівнів і спектроскопію електронних станів. Спектроскопія кристапів є джерелом даних про структуру кристалічної гратки, будову та орієнтацію домішкових і дефектних центрів, про порушення ґратки поблизу них, вивчає механізми взаємодії світла з речовиною, перенесення поглинутої енергії в об'ємі кристала, її перетворення в тепло, випромінювання та фотохімічні перетворенням

Фотон - квант поля електромагнітного випромінювання; елементарна частинка, яка бере участь лише в електромагнітні їх взаємодіях. Фотон часто називають також світловими квантами або г-квантами (в залежності від їх енергії). Фотони є бозонами і підкоряються Бозе-Ейнштейна статистиці.

Фотонні кристали (ФК) - матеріал, структура якого характеризується періодичною зміною показника заломлення в просторових напрямках.. Фотонними кристалами прийнято називати середовища, у яких діелектрична проникність періодично міняється в просторі з періодом, що допускає бреггівську дифракцию світла.

Шаруваті решітки - кристалічні ґратки, що мають одну єдину серію взаємно паралельних еквівалентних одна одній (суміщуваних операціями симетрії) атомних площин з особливо великою міжплощинною відстанню в порівнянні з усіма іншими міжплощинними відстанями у тій же ґратці. Приклади шаруватих граток: графіт, слюда та інш. Кристали шаруватої структури характеризуються цілковитою спайністю вздовж шарів і яскраво вираженою анізотропією багатьох фізичних властивостей уздовж і поперек шарів.

Вступ

Актуальність теми. Для сучасної науки та практики фотонні кристали є на сьогодні одними з найцікавіших штучних матеріалів завдяки ефектам, які вони демонструють. Цікавість до них з боку науковців зростає з кожним роком. Дослідників приваблює широкий спектр практичного застосування цих матеріалів у різних напрямках електроніки в діапазоні частот від одиниць гігагерц до сотень терагерц. Найбільш багатообіцяючим є застосування фотонних кристалів у складі інтегральних оптичних пристроїв. Також зараз ведуться інтенсивні дослідження властивостей фотонних кристалів і в мікрохвильовому діапазоні. Практичне застосування таких структур у цьому діапазоні дозволить створити нові типи приладів і пристроїв, а також поліпшити характеристики вже існуючих [Черновцев, 2008]. Прогрес у впровадженні оптичних технологій в обчислювальній техніці та зв'язку неможливий без розробки нових видів елементної бази - засобів мультиплексування, комутації, передачі сигналів. Нове слово в цій галузі - фотонні кристали (ФК), які здатні не тільки замінити традиційні елементи оптичних систем, але й стати основою для створення фотонних інтегральних схем, як альтернативи великим електронним інтегральним схемам. На сьогодні ФК є переважно об'єктами лабораторних досліджень, але їх потенційні можливості настільки значущі, що промисловий випуск цих структур - питання найближчого часу (Дьогтєв, 2009).

Зрозуміло, що для подальшого використання фотонних кристалів їх потрібно всебічно досліджувати та розробляти шляхи їх практичного використання. Існує багато методів вивчення оптичних явищ у таких кристалах та інших середовищах. Одним з них є застосування рентгеноструктурного аналізу та отримання відповідного дифракційного зображення - лауеграмми. Цей метод є неруйнівним та експресним засобом дослідження структури фотонного кристалу та постійно вдосконалюється. Виконання таких робіт дуже актуально, зокрема дозволить розробити нові типи електронних приладів і пристроїв міліметрового й субміліметрового діапазонів довжин хвиль на основі оптичних явищ кристалів, а також поліпшити характеристики існуючих приладів [Черновцев, 2008].

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження вивчити способи отримання, властивості і можливості практичного застосування фотонних кристалів. Визначити період решітки фотонного кристала за його оптичної лауеграмми.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

1. Визначити характеристики та властивості фотонних кристалів.

2. Дослідити декілька лабораторних робіт по використанню методу лауеграми у визначенні періоду решітки фотонного кристалу.

3. Визначити метод дослідження лауеграмми, який зручніше використовувати в підготовці фахівців з фізики.

Об'єкт дослідження. Оптичні явища у фотонних кристалах та методи їх дослідження.

Предмет дослідження. Визначення методом лауеграми періоду гратки фотонного кристалу.

Методи дослідження. Стандартні методи оптичної фізики, вивчення наукової та учбової літератури, аналіз та узагальнення. Сучасна комп'ютерна матеріалів та зображень.

Наукова новизна одержаних результатів

Практичне значення одержаних результатів. Робота забезпечує вивчення існуючої теорії поширення електромагнітних хвиль у періодичних структурах. ЇЇ виконання дозволяє систематизувати, закріпити та розширити теоретичні і практичні знання з оптичної фізики. Це також забезпечує розвиток навичок самостійної роботи і опанування методикою дослідження й експериментування. Отримані результати дозволяють застосувати знання зі спеціальності при розв'язуванні конкретних наукових, технічних, економічних і виробничих завдань.

Наукова новизна одержаних результатів

Подають коротку анотацію нових наукових положень (рішень), запропонованих здобувачем особисто. Необхідно показати відмінність одержаних результатів від відомих раніше, описати ступінь новизни (вперше одержано, удосконалено, дістало подальший розвиток).

Кожне наукове положення чітко формулюють, виокремлюючи його основну сутність і зосереджуючи особливу увагу на досягнутої при цьому новизни. Сформульоване наукове положення повинно читатися і сприйматися легко й однозначно (уникати нагромадження дрібних і таких, що затемнюють його сутність, деталей та уточнень). У жодному випадку не можна вдавати викладу наукового положення у вигляді анотації, коли просто констатують, що в роботі зроблено те й те, а сутності і нового, написаного виявити неможливо. Подання наукових положень у вигляді анотацій є найбільш поширеною помилкою здобувача при викладенні загальної характеристики роботи.

До цього пункту не можна включати опис нових прикладних (практичних) результатів, отриманих у вигляді пристроїв, методик, схем, алгоритмів тощо. Слід завжди розмежовувати одержані наукові положення і нові прикладні результати що випливають з теоретичного доробку дослідника.

Усі наукові положення з урахуванням досягнутого ними рівня новизни є теоретичною основою (фундаментом) вирішеної в роботі наукової задачі або наукової проблеми.

Розділ 1. Поняття про фотонний кристал, оптичну лауеграму та їх використання

1.1 Теоретичні відомості про фотонний кристал

Фотонні кристали це - структури з періодичною просторовою зміною показника заломлення, період яких порівнюється з довжиною хвилі падаючого випромінювання (Черновцев, 2008). Зустрічається й більш розширене визначення фотонних кристалів - «фотонними кристалами прийнято називати середовища, у яких діелектрична проникність періодично міняється в просторі з періодом, що допускає бреггівську дифракцию світла» (Івченко, Поддубний, 2006)..

Залежно від розмірності періодичності розрізняють одновимірні, двовимірні й тривимірні фотонні кристали. Одновимірні фотонні кристали являють собою мультишарові структури із шарів різних матеріалів, що чергуються, і є найбільш простими й зручними об'єктами для дослідження (Черновцев, 2008).

Фотонний кристал це надгратка (crystal superlattice) - середовище, в якому штучно створено додаткове поле з періодом, що на порядки перевищує період основних ґраток. Для фотонів таке поле одержують періодичною зміною коефіцієнта заломлення середовища - в одному, двох або трьох вимірах (1D-, 2D-, 3D-фотонні структури відповідно). Якщо період оптичної надгратки рівний довжині електромагнітної хвилі, то поведінка фотонів кардинально відрізняється від їх поведінки в гратках звичайного кристала, вузли якого знаходяться один від одного на відстані, багато меншій за довжину хвилі світла. Тому такі гратки і одержали особливу назву - фотонні кристали. Тобто фотонні кристали це періодичні системи, які складаються з окремих областей діелектриків з високим та низьким показниками заломлення (Фотонні кристали…). (рис. 1.1).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 1.1 Структурна схема фотонного кристалу

Як і електричні середовища в залежності від ширини заборонених і дозволених зон, фотонні кристали можна розділити на провідники - здібні проводити світло на великі відстані з малими втратами, діелектрики - практично ідеальні дзеркала, напівпровідники - речовини здатні, наприклад, вибірково відбивати фотони певної довжини хвилі і надпровідники, в яких завдяки колективним явищам фотони здатні поширюватися практично на необмежені відстані.

Також розрізняють резонансні і нерезонансні фотонні кристали . Резонансні фотонні кристали відрізняються від нерезонансних тим, що в них використовуються матеріали, у яких діелектрична проникність (або коефіцієнт заломлення) як функція частоти має полюс на деякій резонансній частоті.

Будь-яка неоднорідність в фотонному кристалі (наприклад, відсутність одного або декількох квадратів, їх більший або менший розмір щодо квадратів оригінального фотонного кристала і т. д) називаються дефектом фотонного кристала. В таких областях часто зосереджується електромагнітне поле, що використовується в мікрорезонаторах і хвилеводах, побудованих на основі фотонних кристалів.

Дослідивши їх властивості, нескладно перейти до дослідження фотонних кристалів більшої розмірності. Виготовлення фотонних кристалів для міліметрового діапазону довжин хвиль, на відміну від фотонних кристалів оптичного діапазону, не викликає технологічних труднощів і вимагає значно менших матеріальних витрат. Тому є доцільним проводити дослідження властивостей фотонних кристалів у міліметровому діапазоні довжин хвиль. Результати цих досліджень, потім, можуть бути поширені на субміліметровий і оптичний діапазони довжин хвиль із урахуванням дисперсії матеріальних параметрів. Одним з найцікавіших напрямків є дослідження способів керування спектральними властивостями таких структур. Використання магнітних матеріалів, наприклад феритів, у складі фотонних кристалів дає можливість керування їхніми спектральними властивостями в режимі реального часу, змінюючи зовнішнє магнітне поле. Такі періодичні структури одержали назву магнітофотонні кристали [Черновцев, 2008]..

Якщо період оптичної сверхгратки порівняємо з довжиною електромагнітної хвилі, то поведінка фотонів кардинально відрізняється від їхньої поведінки в решітці звичайного кристала. Завдяки періодичній зміні показника заломлення, в структурі фотонного кристала з'являються дозволені й заборонені зони для енергій фотонів [Yablonovitch, 1993], аналогічні тим, які мають місце для енергій носіїв заряду в напівпровідникових матеріалах. Практично це означає, що якщо на фотонний кристал падає фотон, що володіє енергією, відповідної забороненої зони даного фотонного кристала, то він не може поширюватися в кристалі і відбивається назад. І навпаки, якщо на фотонний кристал падає фотон, що володіє енергією, відповідної дозволеної зоні, то він поширюється в даному фотонному кристалі. Іншими словами, фотонний кристал виконує функцію оптичного фільтра.

Залежно від ширини заборонених і дозволених зон фотонні кристали можна розділити на провідники - здатні проводити світло на великі відстані з малими втратами, діелектрики - практично ідеальні дзеркала, напівпровідники - речовини, здатні вибірково відбивати фотони певної довжини хвилі і надпровідники - в яких, завдяки колективним явищам, фотони здатні поширюватися практично на необмежені відстані.

Створення динамічних неоднорідностей в структурі фотонного кристала дозволяє додати ще один вимір - час. Одержуваний таким чином кристал можна вважати чотиривимірною (4Е) фотонною структурою, де четвертим виміром є час. Оптичні властивості таких структур потенційно різноманітніше властивостей тривимірних кристалів [Наїмі Е.К., Векилов].

1.2 Метод Лауе

Розроблена Лауе теорія дифракції рентгенівських променів на кристалах дозволила зв'язати довжину хвилі випромінювання за параметрами елементарної комірки кристалу. Фактично було показано, що дифракційна картина кристалу являє собою перетворення Фур'є його двомірної проекції. У 1913 році Лоренс Брегг і одночасно з ним Г. В. Вульф запропонували наочніше трактування виникнення дифракційних променів в кристалі. Вони показали, що дифракційні промені можна розглядати як віддзеркалення падаючого променя від однієї з систем кристалографічних площин (дифракційне віддзеркалення або умова Брегга -- Вульфа) (http://uk.wikipedia.org/wiki/Рентгеноструктурний_аналіз).

У методі Лауе вузький (немонохроматичний) пучок рентгенівських променів (або нейтронів) направляється на нерухомо закріплений монокристаллический зразок. Цей пучок містить рентгенівські промені з набором довжин хвиль в широкому інтервалі значень. В кристалі відбувається "відбір", і дифрагує тільки випромінювання з дискретним набором довжин хвиль л, таких, що для цих довжин хвиль міжплощинних відстані d і кути падіння и задовольняють закону Брега. У результаті цього виникає брегівська дифракція - явище сильного розсіювання хвиль на періодичній ґратці розсіювачів при певних кутах падіння й довжинах хвиль. Найпростіший випадок Бреггівської дифракції виникає при розсіюванні на дифракційній ґратці кристалу.

Інтенсивні піки розсіювання спостерігаються тоді, коли виконується умова Вульфа-Брегга (http://uk.wikipedia.org/wiki/Бреггівська_дифракція):

(1.1)

де  - хвильовий вектор, 

 - вектор оберненої ґратки, тобто, при умові, що розсіяна хвиля збігається за фазою з падаючою.

Для дифракційної ґратки з періодом d цю умову можна переписати у вигляді:

(1.2)

де и - кут падіння,

л - довжина хвилі,

n - ціле число, яке називається порядком дифракції (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 Схема Бреггівської дифракції при виконанні умов Вульфа-Брегга

Ця ж формула справедлива для розсіювання хвиль на кристалі кубічної сингонії.

Основна особливість лауеграмми - наявність великого числа інтерференційних плям, які лягають на криві лінії - еліпси і гіперболи, симетрично проходять через центр рентгенограми. Кожна пляма лауеграмми представляє собою слід променя, відбитого від деякої площини під кутом Q, який визначається рівнянням:

tg2Q = l/D (1.3)

де l - відстань плями до центру рентгенограми;

D - відстань від кристала до зразка.

Плівка або пластинка, на яку фіксується дифракционная картина, називається лауеграмма. Розгляд її дає можливість:

1) судити про кристалічність речовини;

2) встановити симетрію кристала;

3) визначити в деяких випадках кут нахилу кристалографічної осі зразка до первинного променю.

Розрахунок лауеграмми дозволяє:

1) точно визначити орієнтування монокристала;

2) визначити і перевірити відносини осей елементарної ячейки.

Метод Лауе надзвичайно зручний для швидкого визначення симетрії кристала і його орієнтації. Він використовується також для визначення розмірів дефектів, що виникають в кристалі при механічній і термічній обробці.

1.3 Застосування фотонних кристалів та їх значення для науки та практики

З фотонними кристалами пов'язують майбутнє сучасної електроніки. Одним з перших практично важливих застосувань фотонних кристалів стало виготовлення діелектричних покриттів з унікальними оптичними характеристиками, що застосовуються для створення високоефективних оптичних спектральних фільтрів, зниження небажаного відбиття від оптичних елементів (просвітлена оптика), а також діелектричних дзеркал з коефіцієнтом відображення, близьким до 100%. В якості відомого прикладу фотонних структур можна згадати напівпровідникові лазери з розподіленою зворотним зв'язком, а також оптичні хвилеводи з періодичною поздовжньої модуляцією фізичних параметрів (профілю або показника заломлення). Нарешті, звичайні штрихові дифракційні решітки - це також приклад фотонних структур. За аналогією з ними фотонні кристали називають іноді тривимірними дифракційними решітками.

Фотонні кристали становлять великий інтерес для створення лазерів нового типу, оптичних комп'ютерів, пристроїв для зберігання і передачі інформації; відкривають шлях до створення спектральних дисперсійних приладів на принципово новій основі, елементів керуючих пристроїв адаптивної оптики (наприклад, фасеточних телескопів з практично необмеженим діаметром головного дзеркала).

Одна з цікавих можливостей застосування фотонних кристалів - створення пасток для фотонів і, відповідно, пристроїв зберігання і обробки інформації на їх основі. Така пастка являє собою область в кристалі, вихід випромінювання з якої заборонений в силу відсутності в навколишньому пастку матеріалі фотонної зони провідності. З іншого боку, замикання фотона, маса спокою якого дорівнює нулю, принципово відрізняється від замикання електрона, що володіє кінцевою масою. Тут ситуація формально те саме що зупинці світла, носієм якого є фотони. Але якщо у вільних умовах зупинка фотона означає його зникнення, то в даному випадку мова йде не про вільні фотонах, а про квазічастинки - «важких (або масивних) фотонах», освічених когерентним взаємодією світла з кристалом. Захоплення випромінювання фотонних кристалів є принципово новим явищем, так як відбувається без процесів багаторазового поглинання і випускання фотонів.

Так, в роботах, виконаних в Гарвардському університеті, вже повідомлялося про «зупинці» світла. Хвильової цуг, що займає в порожньому просторі кілька кілометрів, був стиснутий до розмірів декількох міліметрів, що відповідає зниженню груповий швидкості світла до сотень метрів в секунду. Експериментатори записували у вхідному світловому сигналі інформацію з частотою модуляції 1 кГц, а потім відновлювали її з стисненого стану. Таким чином, було безпосередньо продемонстровано створення елементів пам'яті на важких фотонах.

Важкі фотони планується використовувати також для створення нового типу оптичних транзисторів і логічних елементів, в основі роботи яких лежать ефекти нелінійної взаємодії світла з речовиною. У разі тяжких фотонів, чию групову швидкість можна знизити до надзвичайно малої величини, нелінійні процеси йдуть з більшою ефективністю, і для реалізації нелінійного режиму потрібно набагато менша щільність потужності випромінювання.

Фотонні кристали, «швидкість світла» в яких можна варіювати в досить широких межах, забезпечують безпрецедентну можливість спостереження явищ, в основі яких лежать локальні «порушення» причинно-наслідкових відносин. Приклади такого роду явищ - негативна рефракція, звернений ефект Вавілова- Черенкова і ряд інших.

Нарешті відзначимо, що в фотонних кристалах, є сутнісно нелінійними оптичними середовищами, здатні виникати процеси самоорганізації структурних неоднорідностей, зазвичай описувані в рамках теорії дисипативних систем і динамічного хаосу. Наявність цих процесів означає принципову можливість функціональної самоорганізації фотонного кристала як пристрою.

Розділ 2. ФОТОННІ КРИСТАЛИ - НОВІ МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ФОТОНІКИ ТА ОТПТОІНФОРМАТИКИ

До Дня Науки 21 травня 2011 року

З часу появи людини розумної (Homo sapiens) близько 200000 років тому (дата визначена на основі порівняння поліморфізмів мітохондріальної ДНК та датування закам'янілих останків радіовуглецевим та іншими природничо-науковими методами) її життя в значній мірі визначалось розвитком матеріальної культури, яка включала виготовлення та використання нових конструкційних і функціональних матеріалів. Так з'явилися поняття “кам'яна доба”, “мідно-кам'яна доба”, “бронзова доба”, “залізна доба”, які визначали ранні періоди розвитку історії людства. Пошук нових матеріалів триває й понині. Особливу роль серед функціональних матеріалів нині відіграють фотонні метаматеріали для фотоніки й оптоінформатики - нового напрямку в науці та техніці, який використовує закони поширення світла (потоку фотонів) та оптичні явища в суцільному середовищі для перетворення, обробки та передачі інформації.

У 1972 році радянський фізик В.П.Биков уперше встановив можливість формування дозволених та заборонених інтервалів частот (зон) для електромагнітних хвиль (фотонів) у періодичних структурах. У 1987 році американським фізиком, який працював у Bell Communications Research, Елі Яблоновичем (Eli Yablonovitch) було вперше запроваджено поняття забороненої зони для електромагнітних хвиль (electromagnetic band gap) в надґратках (crystal superlattice), у яких штучно створено додаткове поле з періодом, порівняним з довжиною хвилі. Ним та відомим канадським фізиком-теоретиком Джоном Сайєєвим (John Sajeev) з University of Toronto було показано: 1) в області повної фотонної забороненої зони неможливо спонтанне випромінювання, для якого потрібна наявність власних станів у спектрі випромінених фотонів; 2) фотони можуть локалізуватися на діелектричних дефектах, призводячи до утворення зв'язаних атомно-фотонних станів. Невдовзі після цього терміни «структури з фотонною забороненою зоною» (photonic band gap structures (PBG)) і «фотонний кристал» (photonic crystal) стали ключовими поняттями найновішого напрямку в сучасній оптиці. Нині всі провідні лабораторії світу, що займаються проблемами матеріалів для фотоніки, включились у пошук і дослідження нових оптичних матеріалів - фотонних кристалів. Роботи ведуться високими темпами та великими силами. Буквально кожного дня з'являються нові результати в цій області. Дослідження фотонних кристалів - одна з найгарячіших тематик у найбільших світових центрах науки, високотехнологічного бізнесу та на підприємствах військово-промислового комплексу. Вже отримані та очікувані результати в галузі фізики фотонних кристалів мають таке ж саме значення, як і створення інтегральної мікроелектроніки в 1960-і роки на основі кремнію. Серед основних методів отримання фотонних кристалів можна виділити такі: фотолітографія, голографічна фотополімеризація, стереолітографія, електронно-променева літографія, молекулярна технологія, метод колоїдного самозбирання. Отримання досконалих тривимірних глобулярних структур методом колоїдного самозбирання та широкі можливості модифікації їх оптичних властивостей шляхом інфільтрації речовинами різної хімічної природи дозволяє створювати на їх основі нові регулярні та стохастичні нанокомпозиційні матеріали з унікальними оптичними властивостями. Досягнення в області створення фотонних кристалів стимулюють розвиток фотоніки й оптоінформатики. Темпи зростання ринку фотоніки у провідних країнах світу на порядок перевищують середні темпи зростання економіки. У 2006 р. світовий ринок пристроїв і систем фотоніки складав приблизно 180 мільярдів доларів і подвоївся у 2010 р. З 2000 р. в університетах США, Англії та Німеччини почалася підготовка фахівців у галузі «Photonics» та «Optical and Photonic Engineering». Найвищою вершиною фотоніки та оптоінформатики є створення повністю оптичного нейронно-мережевого комп'ютера, можливості якого наблизяться до можливостей мозку людини. Зараз у розвинених країнах досягнуті значні успіхи на цьому напрямку.

Развиток фотоніки залучає в цю область все більшу кількість людей: від науковців і виробників до робітників торгових фірм і сфери сервісу. Зростає число споживачів оптоінформаційних систем і технологій, ринок яких швидко розширюється. Становлення України як незалежної держави в сучасних умовах неможливе без використання новітніх технологій у фотоніці й оптоінформатиці, основою якого є висококваліфіковані, технічно грамотні національні кадри.

На кафедрі фізики твердого тіла та оптоелектроніки факультету фізики, електроніки та комп'ютерних систем Дніпропетровского національного університету ім. Олеся Гончара протягом тривалого часу ведуться фундаментальні дослідження оптичних явищ у нелінійних діелектричних і фотонних кристалах із перспективою їх використання в оптоінформаційних системах. Створені всі умови й ведеться підготовка фахівців із оптоелектроніки та фотоніки, попит на яких зростатиме по мірі насичення ринку України оптичними технологіями в різних галузях народного господарства.

http://www.dnu.dp.ua/news/700

В.М. Моісеєнко, професор кафедри фізики твердого тіла та оптоелектроніки.

У зв'язку з розвитком науки фотонних кристалів останніми роками різко зріс інтерес до фотонних явищ і процесів пов'язаних з фотонами . Фотонні кристали представляють величезний інтерес і широко застосовуються у всіх галузях науки. Тому з'являється ще одна проблема у тому що для подальшого використання цих кристалів їх потрібно досліджувати.

Існує багато методів досліду фотонного кристалу, але я хочу виділити саме метод лауеграми, актуальність цього методу в тому що він є не руйнуючим способом досліду структури фотонного кристалу.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ;

1. Черновцев Сергій Володимирович. Спектральні властивості одновимірних магнітокерованих фотонних кристалів у міліметровому діапазоні довжин хвиль : Дис... канд. наук: 01.04.03 - 2008.

2. Е. Л. Ивченко, А. Н. Поддубный, "Резонансные трёхмерные фотонные кристаллы, "Физика твёрдого тела, 2006, том 48, вып. 3, стр. 540--547

3. Косевич А. М. Механіка кристалічної ґратки.

4. Фотонні кристали. Презентація кафедри фотоніки Нац. Університету «Львівська політехніка» [Електронний ресурс]. - Режим доступу https://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0CCcQFjAB&url=http%3A%2F%2Ffotonika-lviv.at.ua%2Fload%2F0-0-0-1-20&ei=7tZlVJLtMc7cavOdgvgH&usg=AFQjCNEmqZelsFqw3w21KArcxdMaFrTabg&bvm=bv.79400599,d.d2s

5. Бреггівська дифракція [Електронний ресурс]. - Режим доступу http://uk.wikipedia.org/wiki/Бреггівська_дифракція

6. Рентгеноструктумрний аналіз [Електронний ресурс]. - Режим доступу http://uk.wikipedia.org/wiki/Рентгеноструктурний_аналіз

7. Yablonovitch E. Photonic Band Structure// In: Photonic Band Gaps and Localization/ Edited by C.M. Soukoulis. - Plenum Press. New-York. 1993. P.207 - 234.

8. Наими Е.К., Векилов Ю.Х. Фотонные кристаллы с показателем преломления, модулируемым ультразвуком. Известия ВУЗов. Серия «Материалы электронной техники». 2011. №1.

Размещено на Allbest.ru