Нанофотоника

Нанофотоника иначе нанооптика (англ. nanophotonics) — раздел фотоники, занимающийся изучением физических явлений, возникающих при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, и практическим применением указанных явлений.

Описание

Предметом изучения нанофотоники является распространение, преобразование, испускание и поглощение оптического излучения и сигналов в наноструктурах, с целью использования особенностей процессов взаимодействия излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств. Нанофотоника возникла на стыке оптики, лазерной физики, квантовой электроники, физики и химии твердого тела, материаловедения, физической химии.

Основная задача нанофотоники — разработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектронными свойствами для создания на их основе фотонных функциональных устройств нового поколения. К таким устройствам относятся в частности следующие:

• эффективные источники когерентного и некогорентного излучения с управляемыми характеристиками;

• устройства отображения информации, включая дисплеи портативных приборов и большие цветные экраны;

• приемники излучения и детекторы нового поколения;

• оптоэлектронные (фотоэлектронные) преобразователи, в том числе компактные фотоэлектрические источники питания и солнечные батареи повышенной эффективности;

• фотонная (оптическая) оперативная и долговременная память;

• устройства оптической обработки сигналов, в том числе оптические регенераторы;

• оптические переключатели и коммутаторы, в том числе для оптической коммутации пакетов;

• оптические соединения между элементами электронных вычислительных машин (между блоками, платами, чипами и элементами чипов);

• оптические вычислительные устройства, в том числе квантовые;

• интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и состояния человека;

• К новым перспективным материалам нанофотоники относятся следующие:

• полупроводниковые квантово-размерные материалы, в том числе материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками;

• фотонные кристаллы, фотонно-кристаллические пленки и волокна;

• метаматериалы с отрицательным показателем преломления и металл-диэлектрические плазмонные наноматериалы.

Важными средствами исследования материалов в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия с применением возбуждающих фотонов.

Нелинейные оптические преобразователи и волноводы (пара примеров

1) волновод, оптический иначе световод (англ. optical waveguide) — волновод для направленной передачи световых сигналов или световой энергии, а также для локализации световых волн в активных областях различных фотонных устройств.

Описание

Локализация световых волн в пределах канала распространения достигается за счет отражения от границ волновода, либо за счет фокусирующих свойств волновода.

Из множества разнообразных классов оптических волноводов наиболее перспективны и широко применяются в настоящее время всего три: оптические волокна, канальные волноводы и планарные волноводы.

Важнейшее применение оптических волокон — передача оптических сигналов на большие расстояния в системах связи. Кроме того они используются для направленной передачи световой энергии в промышленных лазерных комплексах и в лазерной медицине, в качестве активной среды волоконных лазеров и волоконных усилителей, в линиях задержки, в системах нелинейной обработки оптических сигналов, в качестве чувствительных элементов датчиков и для многих других целей.

В системах связи применяются, как правило, кварцевые оптические волокна, характеристики которых регламентируются международными стандартами. Для систем дальней связи и в городских сетях связи используются одномодовые оптические волокна, в локальных сетях связи и иногда в сетях доступа используются многомодовые оптические волокна. Значительно реже и только для передачи информации на короткие расстояния используются полимерные оптические волокна, а также волокна с кварцевой сердцевиной и полимерной оболочкой.

Для многочисленных не телекоммуникационных применений наряду со стандартными телекоммуникационными волокнами используются специальные типы волокон: анизотропные волокна, волокна с большим диаметром сердцевины, высоконелинейные волокна и т. д.

Новые области практического применения открываются при использовании фотонно-кристаллических и микроструктурированных оптических волокон, которые обеспечивают больше возможностей управления оптическими полями и сигналами.

Для создания фотонных интегральных схем и планарных оптических устройств используются планарные диэлектрические или полупроводниковые волноводы, представляющие собой тонкую пленку, нанесенную на подложку, и различные типы канальных оптических волноводов.

Новым перспективным типом канальных оптических волноводов являются волноводы на планарных фотонных кристаллах (ФК). В таких волноводах диэлектрическая пленка ограничивает световые волны в перпендикулярном плоскости пленки направлении, а двумерная ФК структура локализует и направляет световые волны в плоскости пленки.

2)Жидкий кристалл иначе мезофаза (англ. liquid crystal) — разновидность жидкого состояния вещества, которое характеризуется определенным позиционным и/или ориентационным упорядочением молекул, и в котором сочетается присущая жидкости текучесть с анизотропией ряда свойств, характерной для кристаллов.

Описание

По степени молекулярной упорядоченности жидкие кристаллы занимают промежуточное положение между твердыми кристаллами, в которых существует трехмерный дальний порядок, и жидкостями, имеющими только ближний порядок в расположении частиц. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении температуры («частичном плавлении» твердой фазы), называются термотропными. Жидкие кристаллы, образующиеся при изменении концентрации поверхностно-активных веществ в растворителе, являются лиотропными.

Жидкокристаллическое состояние часто называют мезоморфным (мезос — промежуточный), а само вещество — мезофазой. Наиболее часто жидкокристаллическое состояние наблюдается у органических веществ, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму. Причина образования жидких кристаллов — существенно анизотропная форма молекул (цепочечная или плоская), что определяет относительную параллельность их укладки.

Своеобразное сочетание свойств, присущих как жидкостям, так и кристаллам, обусловлено особенностями внутренней молекулярной структуры жидких кристаллов. В зависимости от характера расположения молекул, согласно классификации, предложенной Фриделем (Франция), различают три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические, а в последнее время выделяют также дискотические фазы.

Смектические (от греч. смегма — мыло, мазь) жидкие кристаллы могут быть образованы веществами, молекулы которых имеют вытянутую стержнеобразную форму и ориентированы параллельно друг другу, образуя тонкий слой. Внутри слоев, в боковых направлениях, строгая периодичность в расположении молекул отсутствует. Смектическими жидкими кристаллами являются, например, радужные мыльные пузыри. Смектический слой обладает важнейшим свойством твердого кристалла — анизотропией оптических свойств, так как вдоль длинной оси молекул свет распространяется с меньшей скоростью, чем поперек нее, и показатели преломления в жидком кристалле в этих направлениях различны.

Второй тип термотропных жидкокристаллических веществ называется нематическим (от греч. нема — нить). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо осаждаются на стенки сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят «причесанными» и направлены параллельно друг другу, но могут скользить вверх и вниз. Нематические жидкие кристаллы не такие упорядоченные, как смектические. Тем не менее, они тоже оптически анизотропны и под микроскопом дают «муаровую» текстуру с чередующимися светлыми и темными полосами. Частицы нематического жидкого кристалла реагируют на электрическое и магнитное поля так же, как железные опилки, располагаясь упорядоченным образом вдоль силовых линий поля.

Холестерические жидкие кристаллы — это, в основном, производные холестерина. Здесь плоские и длинные молекулы собраны в слои так же, как у смектических, но внутри каждого слоя расположение частиц похоже больше на нематические жидкие кристаллы. Интересно то, что тончайшие соседние молекулярные слои в холестерическом жидком кристалле немного повернуты друг относительно друга, благодаря чему стопка подобных слоев описывает в пространстве спираль. В силу столь своеобразного строения эти жидкие кристаллы обладают оригинальными оптическими свойствами. Обычный свет, проходя через такие вещества, распадается на два луча, которые преломляются по-разному. Когда бесцветный, как вода, холестерический жидкий кристалл попадает в зону с меняющейся температурой, он приобретает яркую окраску.

Дискотические жидкие кристаллы, открытые Чандрасекаром (США) и др., являются системой жидких столбиков, образующих двумерную решетку.

Лиотропные жидкие кристаллы состоят из двух и более компонентов. Обычно один из компонентов — вода, а другой — амфифил, содержащий полярную головную группу, которая присоединена к одной или нескольким длинным цепям углеводородов. Широко известный пример такой системы — раствор мыла (додецилсульфата натрия) в воде.

С увеличением концентрации воды может возникать несколько различных мезофаз. В ламеллярной фазе вода заполняет пространство между полярными группами соседних слоев, а углеводородные радикалы, имеющие неупорядоченную ориентацию, находятся в неполярном окружении. В кубической, или изотропновязкой, фазе плоские слои изгибаются и образуют сферические структурные единицы, причем полярные функциональные группы молекул расположены на поверхности сферы, а углеводородные цепи находятся внутри нее. При упаковке сфер получается пространственная кубическая объемноцентрированная решетка, а вода занимает пространство между отдельными сферами. В гексагональной, или средней, фазе слои свернуты в цилиндры. Цилиндрические структурные единицы неопределенной длины располагаются параллельно друг другу, образуя гексагональную упаковку. В некоторых системах наблюдался также нематический порядок упаковки. В смесях, богатых гидрофобными компонентами, могут появляться обращенные фазы, в которых концевые углеводородные группы обращены в сторону гидрофобной среды, тогда как вода заключена в ядре. Жидкие кристаллы применяются в дисплеях часов, калькуляторов, персональных компьютеров и являются перспективным материалом для применения в оптических компьютерах. Жидкие кристаллы открыты австрийским ботаником Ф. Рейнитцером и немецким физиком О. Леманом.

Три основных типа термотропных жидких кристаллов: смектические, нематические и холестерические.

Рентгеновские линзы

линза Френеля иначе Френелевская линза (англ. Fresnel lens) — сложная составная линза, предложенная Френелем.

Описание

Линза Френеля состоит не из цельного шлифованного куска оптического материала со сферическими или иными поверхностями, как обычные линзы, а из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля.

Изначально линзы Френеля использовались в осветительных системах — например, в фокусирующих системах маяков для коллимации оптического излучения. Также линзы Френеля большого размера использовались в качестве экрана проекционных телевизоров.

Впоследствии были выпущены изображающие объективы (Canon EF 70–300mm DO IS f/4.5–5.6), в оптической системе которых для лучшей коррекции аберраций были применены пары линз Френеля.

Наиболее перспективными в настоящее время считается использование линз Френеля в качества концентратора солнечной энергии для солнечных батарей, а также в качестве фокусирующего элемента рентгеновского микроскопа (зонная пластина Френеля).

Поперечное сечение линзы Френеля (слева) и обычной линзы (справа).

Фотонный кристалл сокр., ФК (англ. photonic crystal) — материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в 1, 2 или 3 пространственных направлениях.

Описание

Отличительная особенность фотонных кристаллов (ФК) — наличие пространственно периодического изменения показателя преломления. В зависимости от числа пространственных направлений, вдоль которых показатель преломления периодически изменяется, фотонные кристаллы называются одномерными, двумерными и трехмерными, или сокращенно 1D ФК, 2D ФК и 3D ФК (D — от английского dimension) соответственно. Условно структура 2D ФК и 3D ФК показана на рис.

Наиболее яркой чертой фотонных кристаллов является существование в 3D ФК с достаточно большим контрастом показателей преломления компонентов определенных областей спектра, получивших название полных фотонных запрещенных зон (ФЗЗ): существование излучения с энергией фотонов, принадлежащей ФЗЗ в таких кристаллах, невозможно. В частности, излучение, спектр которого принадлежит ФЗЗ, извне в ФК не проникает, существовать в нем не может и полностью отражается от границы. Запрет нарушается только при наличии дефектов структуры или при ограниченных размерах ФК. При этом целенаправленно созданные линейные дефекты являются волноводами с малыми изгибными потерями (до микронных радиусов кривизны), точечные дефекты — миниатюрными резонаторами. Практическая реализация потенциальных возможностей 3D ФК, основанных на широких возможностях управления характеристиками световых (фотонных) пучков только начинается. Она затруднена отсутствием эффективных методов создания 3D ФК высокого качества, способов целенаправленного формирования в них локальных неоднородностей, линейных и точечных дефектов, а также методов сопряжения с другими фотонными и электронными устройствами.

Существенно больший прогресс достигнут на пути практического применения 2D ФК, которые используются, как правило, в виде планарных (пленочных) фотонных кристаллов или в виде фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) (см. подробнее в соответствующих статьях).

ФКВ представляют собой двумерную структуру с дефектом в центральной части, вытянутую в перпендикулярном направлении. Являясь принципиально новым типом оптических волокон, ФКВ предоставляют недоступные другим типам оптических волокон возможности по транспортировке световых волн и управлению световыми сигналами.

Одномерные ФК (1D ФК) представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления. В классической оптике задолго до появления термина «фотонный кристалл» было хорошо известно, что в таких периодических структурах характер распространения световых волн существенно изменяется из-за явлений интерференции и дифракции. Например, многослойные отражающие покрытия давно и широко используются для изготовления диэлектрических зеркал и пленочных интерференционных фильтров, а объемные брэгговские решетки в качестве спектральных селекторов и фильтров. После того, как стал широко употребляться термин ФК, такие слоистые среды, в которых показатель преломления периодически изменяется вдоль одного направления, стали относить к классу одномерных фотонных кристаллов. При перпендикулярном падении света спектральная зависимость коэффициента отражения от многослойных покрытий представляет собой так называемый «брэгговский столик» — на определенных длинах волн коэффициент отражения быстро приближается к единице при увеличении числа слоев. Световые волны, попадающие в спектральный диапазон, показанный на рис. б стрелкой, практически полностью отражаются от периодической структуры. По терминологии ФК эта область длин волн и соответствующая ей область значений энергий фотона (или энергетическая зона) является запрещенной для световых волн, распространяющихся перпендикулярно слоям.

Потенциал практических применений ФК огромен благодаря уникальным возможностям управления фотонами и еще не до конца раскрыт. Нет сомнения, что в ближайшие годы будут предложены новые устройства и конструктивные элементы, возможно принципиально отличающиеся от тех, которые используются или разрабатываются сегодня.

Огромные перспективы применения ФК в фотонике были осознаны после выхода статьи Э. Яблоновича, в которой было предложено использовать ФК с полными ФЗЗ для управления спектром спонтанного излучения.

Среди фотонных устройств, появление которых можно ожидать в ближайшем будущем, следующие:

• низкопороговые ФК лазеры сверхмалых размеров;

• сверхяркие ФК светодиоды с управляемым спектром излучения;

• сверхминиатюрные ФК волноводы с микронным радиусом изгиба;

• фотонные интегральные схемы с высокой степенью интеграции на основе планарных ФК;

• миниатюрные ФК спектральные фильтры, в том числе перестраиваемые;

• ФК устройства оперативной оптической памяти;

• ФК устройства обработки оптических сигналов;

• средства доставки мощного лазерного излучения на основе ФКВ с полой сердцевиной.

Наиболее заманчивое, но и наиболее трудное в реализации применение трехмерных ФК — создание сверхбольших объемно интегрированных комплексов фотонных и электронных устройств для обработки информации.

Среди других возможных применений трехмерных фотонных кристаллов — изготовление ювелирных украшений на основе искусственных опалов.

Фотонные кристаллы встречаются и в природе, придавая дополнительные оттенки цветовой окраске окружающего нас мира. Так, перламутровое покрытие раковин моллюсков, таких, как галиотисы, имеет структуру 1D ФК, усики морской мыши и щетинки многощетинкового червя представляют собой 2D ФК, а природные полудрагоценные камни опалы и крылья африканских бабочек-парусников (Papilio ulysses) являются природными трехмерными фотонными кристаллами.

а – структура двумерного (сверху) и трехмерного (снизу) ФК;

б – запрещенная зона одномерного ФК, образованного четвертьволновыми слоями GaAs/AlxOy (величина запрещенной зоны показана стрелкой);

в – инвертированный ФК никеля

Искусственные среды с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериалы):

Метаматериал (англ. metamaterial) — искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и определяются особым упорядочением и структурой компонентов (кольцеподобной, рулонной, проводной и т. д.).

Описание

Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных особым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. К метаматериалам такого типа относятся, например, синтетические дихроичные материалы, состоящие из изотропных компонентов: именно асимметричная структура композитного материала, приводит к появлению анизотропии формы. Существуют метаматериалы с многократно увеличенными электрической проницаемостью и магнитной восприимчивостью, метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными веществами. Например, эффективность гигантского комбинационного рассеяния может возрастать в 106 раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник.

Хотя возможность управления структурой компонентов материала дает новую степень свободы в конструировании их свойств, однако настоящую революцию произвели работы, продемонстрировавшие возможность создания метаматериалов со свойствами, которые не встречаются в природных материалах. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению именно к таким материалам. Один из наиболее известных классов метаматериалов — метаматериалы с отрицательным коэффициентом преломления, у которых одновременно отрицательны диэлектрическая и магнитная проницаемость. Существование веществ с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями было теоретически обоснована в работе В. Г. Веселаго, вышедшей еще в 1967 г. Как показал автор, такие вещества характеризуются отрицательными значениями показателя преломления, а многие оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов. Природных материалов с такими свойствами пока не обнаружено. Экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления в радиодиапазоне электромагнитных волн были созданы в 1999 г. В настоящее время широким фронтом ведутся работы по созданию и исследованию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Все созданные искусственно материалы с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями в оптическом диапазоне являются композитами, содержащими металлические и диэлектрические компоненты.

Весьма перспективным классом метаматериалов являются фотонные кристаллы, в частности резонансные фотонные кристаллы.