Met behulp van Magnetron en Macroscopische Monsters van diëlektrische Solids aan de Photonic Eigenschappen van Disordered fotonische bandgap Materials Bestudeer

Het bestaan ​​van een bandgap voor fotonen is de focus van veel wetenschappelijke werken is, uitgaande van de eerdere studies van Lord Rayleigh de eendimensionale stop-band, een band van frequenties die teelt worden verboden door een periodieke medium ^1. Onderzoek naar elektromagnetische golven (EM) propagatie in periodieke structuren heeft echt bloeide in de afgelopen twee decennia na de baanbrekende publicaties van E. Yablonovitch ^2,3 en S. Johannes ^4. De term 'fotonisch kristal' werd bedacht door Yablonovitch de periodieke diëlektrische structuren die een fotonische bandgap (PBG) bezeten te beschrijven.

Fotonische kristallen zijn periodieke diëlektrische structuren bezitten discrete translationeel symmetrieën, waardoor ze invariant onder vertalingen in richtingen van periodiciteit. Wanneer deze periodiciteit is afgestemd op de golflengte van de inkomende elektromagnetische (EM) golven, een band of frequenties wordt sterk verzwakte en kunnen stoppen met het uitdragen. Als breed genoeg is, kan het bereiken van de verboden frequenties, ook wel stop bands, overlappen elkaar in alle richtingen om een ​​PBG maken, verbiedt het bestaan ​​van fotonen van bepaalde frequenties.

Conceptueel, EM wave propagatie in fotonische kristallen is vergelijkbaar met de voortplanting van golven elektron in halfgeleidermateriaal, die een verboden gebied van elektron energieën, ook wel bekend als een bandgap hebben. Dezelfde manier ingenieurs halfgeleiders te controleren en de stroom van elektronen door halfgeleiders wijzigen toegepast, kan PBG materialen worden gebruikt voor verschillende toepassingen die optische regeling. Zo kan PBG materialen licht van bepaalde frequenties in golflengte grootte holtes te beperken, en te begeleiden of filter licht langs de lijn defecten in hen ^5. PBG materialen voorgesteld te worden gebruikt voor het regelen van de lichtstroom voor toepassingen in de telecommunicatie ⁶, Lasers ^7, optische schakelingen en optische computers ^8, en zonne-energie oogsten ^9.

Een tweedimensionale (2D) vierkant rooster fotonisch kristal heeft 4-voudige rotatie symmetrie. EM golven die het kristal onder verschillende invalshoeken (bijvoorbeeld 0 ° en 45 ° ten opzichte van de roostervlakken) zal maken met verschillende periodiciteit. Bragg verstrooiing in verschillende richtingen leidt tot banden van verschillende golflengten die niet kunnen overlappen in alle richtingen een PBG vormen stoppen, zonder zeer hoge brekingsindex contrast van de materialen. Bovendien, in 2D structuren twee EM golf polarisaties Transverse elektrische (TE) en transversaal magnetisch (TM), vormen vaak bandgaps op verschillende frequenties, waardoor het nog moeilijker om een volledige PBG vormen in alle richtingen voor alle polarisaties ^5. In periodieke structuren, de beperkte keuze van rotatiesymmetrie leiden tot intrinsieke anisotropie (angular afhankelijkheid), die niet alleen maakt het moeilijk om een ​​complete PBG te vormen, maar ook de vrijheid van ontwerp van functionele defecten sterk beperkt. Zo worden golfgeleider ontwerpen bewezen beperkt langs zeer beperkte keuzes grote symmetrie richtingen in fotonische kristallen ^10.

Geïnspireerd om deze beperkingen te wijten aan periodiciteit overtreffen, is veel onderzoek gedaan in de afgelopen 20 jaar op onconventionele PBG materialen. Onlangs is een nieuwe klasse van ongeordende materialen werd voorgesteld een isotrope bezitten volledige PBG in afwezigheid periodiciteit of quasiperiodicity: de hyperuniform Disorder (HD) PBG structuur ^11. De fotonische bands hebben geen exacte analytische oplossing in wanorde structuren. Theoretische studie van de fotonische eigenschappen van de ongeordende structuren beperkt tot tijdrovende numerieke simulaties. Om de banden berekenen de simulatie moet een super-cel benaderingsmethode en beschik dienstlable rekenkracht kan de eindige grootte van het super-cel te beperken. Om de overdracht te berekenen door middel van deze structuren, computersimulaties veronderstellen vaak ideale omstandigheden en dus verwaarlozing echte problemen, zoals de koppeling tussen de bron en de detector, de feitelijke incident EM golf profiel, en uitlijning onvolkomenheden ^12. Bovendien zou elke wijziging (defect design) van de gesimuleerde structuur nieuwe ronde van simulatie vereisen. Vanwege de grootte van de minimale betekenis super-cellen is zeer vervelend en onpraktisch systematisch te onderzoeken defect verschillende ontwerpen architecturen voor deze wanordelijke materialen.

We kunnen deze computationele problemen te voorkomen door het bestuderen van de ongeordende fotonische structuren experimenteel. Door onze experimenten kunnen we het bestaan ​​van de volledige PBG verifiëren in HD structuren. Met behulp van een magnetron experimenten, kunnen we ook fase-informatie te verkrijgen en te onthullen het veld distridrage en de dispersie eigenschappen van bestaande fotonische staten in hen. Met een gemakkelijk aanpasbaar en modulair monster bij cm-schaal kunnen we verschillende golfgeleider en holte (defect) designs testen in de wanordelijke systemen en de robuustheid van de PBGs analyseren. Dit soort analyse van complexe ongeordende fotonische structuren is onpraktisch of onmogelijk te verkrijgen door middel van numerieke of theoretische studies.

Het ontwerpproces begint met het selecteren van een "sluipende" hyperuniform punt patroon ^13. Hyperuniform puntenpatronen zijn systemen waarin het aantal variantie van de punten binnen een "bolvormige" bemonsteringsperiode straal R, groeit langzamer dan het venster volume voor grote R, dat wil zeggen langzamer dan R ^d in d dimensies. Bijvoorbeeld, in een 2D Poisson willekeurige verdeling van punt patroon, de variantie van het aantal punten in domein R evenredig is R <sup> 2. In een hyperuniform stoornis punt patroon, de variantie van de punten in een venster met straal R, evenredig met R. Figuur 1 toont een vergelijking tussen een hyperuniform ongeordende puntpatroon en een Poisson punt patroon ^11. We maken gebruik van een subklasse van hyperuniform wanordelijke punt patronen genaamd "sluipende" ^11.

Met de werkwijze beschreven in Florescu c.s. ¹¹ ontwerp protocol, construeren we een netwerk van diëlektrische wanden en staven, waardoor een 2D hyperuniform diëlektrische soortgelijke structuur als een kristal, maar zonder de beperkingen die inherent periodiciteit en isotropie. De wand netwerken zijn gunstig voor TE-polarisatie bandgap, terwijl de staven de voorkeur voor het vormen band gaps met TM-polarisatie. Een modulair ontwerp ontwikkeld, zodat de monsters gemakkelijk kunnen worden aangepast voor gebruik met verschillende polarisaties en introducing freeform golfgeleiders en holte defecten. Vanwege de omvang invariantie van de vergelijkingen van Maxwell, de elektromagnetische eigenschappen waargenomen in de magnetron regeling rechtstreeks van toepassing op de infrarode en optische regimes, waar de monsters zouden worden geschaald naar micron en submicron maten.