Словарь нанотехнологий
Фотонный кристалл

Фотонный кристалл

Термин

фотонный кристалл

Термин на английском

photonic crystal

Связанные термины

волокно фотонно-кристаллическое, метаматериал, нанофотоника

Определение

материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях. Фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света.

Описание

Фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра, и именно его свойствами обусловлены яркие и красочные цвета опала, который показан на Рис. 1. В природе фотонные кристаллы также встречаются на крыльях африканских бабочек-парусников (Рис.2).

Фотонные кристаллы по характеру изменения коэффициента преломления можно разделить на три основных класса [1]:

1. одномерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении как показано на Рис. 3. Такие фотонные кристаллы состоят из параллельных друг другу слоев различных материалов с разными коэффициентами преломления и могут проявлять свои свойства в одном пространственном направлении, перпендикулярном слоям. Примером такого фотонного кристалла может служить Брэгговская решетка.

2. двухмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях,  как показано на Рис. 4, форма областей с коэффициентом преломления n1 может быть любой, также как и форма кристаллической решетки. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в двух пространственных направлениях, и

3. трёхмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в трёх пространственных направлениях. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в трёх пространственных направлениях, и можно их представить как массив объёмных областей (сфер, кубов и т. д.), упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке.

Как и электрические среды в зависимости от ширины запрещённых и разрешённых зон, фотонные кристаллы можно разделить на проводники - способные проводить свет на большие расстояния с малыми потерями, диэлектрики - практически идеальные зеркала, полупроводники - вещества способные, например, выборочно отражать фотоны определённой длины волны и сверхпроводники, в которых благодаря коллективным явлениям фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния.

Также различают резонансные и нерезонансные фотонные кристаллы [2]. Резонансные фотонные кристаллы отличаются от нерезонансных тем, что в них используются материалы, у которых диэлектрическая проницаемость (или коэффициент преломления) как функция частоты имеет полюс на некоторой резонансной частоте.

Любая неоднородность в фотонном кристалле (например, отсутствие одного или нескольких квадратов на Рис. 4, их больший или меньший размер относительно квадратов оригинального фотонного кристалла и т. д.) называются дефектом фотонного кристалла. В таких областях часто сосредотачивается электромагнитное поле, что используется в микрорезонаторах и волноводах, построенных на основе фотонных кристаллов.

В настоящее время при формировании фотонных кристаллов применяют следующие методы:

1) Самопроизвольное формирование (вертикальное осаждение, сотовый метод и т.д.)

2) Травление

3) Голографические методы

4) Другие (одно-, двухфотонная фотолитография, литография при помощи пучка электронов/ионов).

Авторы

• Братищев Алексей Владимирович
• Гудилин Евгений Алексеевич, д.х.н.

Ссылки

1. Фотонные кристаллы/Википедия - свободная энциклопедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонные кристаллы (дата обращения 11.09.09).
2. Ивченко Е. Л., Поддубный А. Н. Резонансные трёхмерные фотонные кристаллы//Физика твёрдого тела, 2006 - том 48, вып. 3 - стр. 540-547.
3. Photonic Crystals: Periodic Surprises in Electromagnetism. URL: http://ab-initio.mit.edu/photons/tutorial/ (дата обращения 11.09.09).
4. Benisty H. et al. Photonic Crystals/Benisty H., Berger V., Gerard J.-M., Maystre D., Tchelnokov A. - Berlin:Springer-Verlag, 2005.

Иллюстрации

	Рис.1.  Фото опала - природного фотонного кристалла.
	Рис.2.  Фото бабочки Papilio ulysses, крылья которой являются природным фотонным кристаллом.
	Рис. 3. Схематическое представление одномерного фотонного кристалла (? - период изменения коэффициента преломления, n1 и n2 - показатели преломления двух материалов). Источник: Фотонные кристаллы/Википедия - свободная энциклопедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонные кристаллы (дата обращения 11.09.09).
	Рис. 4. Схематическое представление двумерного фотонного кристалла (? - период изменения коэффициента преломления, n1 и n2 - показатели преломления двух материалов).