Interacció Paramètrica no Lineal en Materials amb Nano-Estructuració Ordenada

Les interaccions no lineals de segon ordre són, probablement, uns dels processos de l'òptica no lineal més utilitzats i rellevants en quant a les seves aplicacions. Aquestes interaccions només són eficients en materials que presenten una simetria d'inversió i que permeten aconseguir-hi un mecanisme de phase matching. Això succeeix, en general, quan s'utilitzen materials amb un alt grau d'anisotropia, fet que imposa limitacions importants en les seves aplicacions. Des de fa temps s'utilitzen una gran varietat de cristalls inorgànics, com el LN o el KTP, en dispositius òptics comercials. Tanmateix aquests materials inorgànics tenen alguns inconvenients o limitacions com ara el cost, dificultats en el processat i poca flexibilitat per modificar-los i incorpora'ls-hi d'altres propietats. En aquest sentit les molècules orgàniques poden aportar solucions, però la dificultat d'assolir cristalls orgànics no centrosimètrics prou grans com per assolir eficiències semblants pel que fa als processos no lineals, n'ha limitat la seva aplicabilitat. Donada l'elevada no linealitat que s'obté amb algunes molècules orgàniques, les interaccions no lineals de superfície, són una de les possibilitats per aquest tipus de materials. Si bé l'eficiència d'un procés de superfície no és elevada, quan un és capaç de sumar coherentment els efectes d'un gran nombre de processos superficials, la interacció resultant pot ser eficient.Els cristalls fotònics són materials nanoestructurats amb la capacitat d'exercir un control ampli sobre la generació i propagació de la llum. Aprofitant els efectes en la propagació de la llum que es donen al llindar de les bandes prohibides, és possible exercir aquest control sobre les interaccions no lineals.Això, juntament amb el fet de que en un cristall fotònic hi ha un gran nombre de interfícies on dur a terme les interaccions no lineals, fa que sigui de gran interès realitzar un estudi exhaustiu de diferents interaccions paramètriques no lineals que s'hi poden considerar.En aquesta tesi es presenten estudis experimentals i teòrics sobre diferents interaccions no lineals considerades en el si de cristalls fotònics col·loïdals i d'òpals. En el cas dels cristalls col·loïdals, el treball es centra, majoritàriament, en l'estudi de les interaccions no lineals de segon ordre. Es demostra, que aquests processos que es poden aconseguir en el si d'una estructura centrosimètrica, són de superfície. Pel que fa als òpals, l'interès està centrat en conèixer com els efectes que aquests materials tenen sobre la velocitat de grup, poden aprofitar-se per incrementar l'eficiència de les interaccions no lineals.Fent ús de tècniques de síntesi en fase sòlida, s'ha pogut enllaçar un gran nombre de molècules no lineals a la superfície de nanoesferes de poliestirè. Aquestes esferes de làtex tenen la capacitat d'autoordenar-se en una xarxa cristal·lina centrosimètrica. Es demostra experimentalment que, gràcies a poder dur a terme una interacció no lineal de superfície en un material amb propietats de cristall fotònic, es poden assolir unes eficiències, 6 ordres de magnitud superiors a les assolides fins ara.Aquest treball comença amb una introducció, dels aspectes més rellevants dels cristalls fotònics i de l'òptica no lineal de segon ordre. Al capítol II es presenten les interaccions no lineals de segon ordre en cristalls col·loïdals. S'explica com es fabriquen aquestes estructures no lineals i es demostra experimentalment que la generació de segon harmònic en un cristall col·loïdal és un procés de superfície.Al capítol III de la tesi s'estudien la suma de freqüències contrapropagants i la generació de tercer harmònic en cristalls col·loïdals. Al capítol IV s'estudia, experimentalment, com es poden aprofitar les anomalies que apareixen en la velocitat de grup, quan la llum s'acobla a les bandes altes d'un òpal, per tal d'incrementar la generació de segon harmònic en aquestes estructures. Finalment, es presenten les conclusions del treball.Second order nonlinear interactions are, among, the most relevant nonlinear interactions between light and matter when one considers their applications. Such interactions are only efficient in noncentrosymmetric materials and materials or material structures that provide a phase matching mechanism. This is the case, for instance, in highly anisotropic crystals. However such anisotropy sets important limitations to the application scope of these materials.In the last decades, a large variety of inorganic crystals, such as, for instance, LN or KTP, have been used in optics devices. However, these inorganic materials have several drawbacks like their cost, processing difficulties and limitations to their flexibility and capability to hold new properties. Organic molecules may provide some alternatives, but the difficulties in getting a noncentrosymmetric organic crystal, large enough to hold an efficient nonlinear interaction, has restricted their applicability. Because the high nonlinearity of some organic molecules, one may consider surface nonlinear interaction as a good nonlinear mechanism for these molecules.Although the efficiency of surface interaction is low, when many of this surfaces interactions are coherently added, the whole process can be efficient. Photonic crystals have the capability of controlling the propagation and generation of light. Such control is larger in the neighbourhood of a forbidden band. In fact, at the edge of the band it is possible to control the nonlinear interactions. The high number of interfaces present in the photonic crystal structure, where a quadratic nonlinear interaction may occur, and the band edge effects, make it interesting to focus our study into some of such second order nonlinear interaction.In this thesis, we present experimental and theoretical results related to different second order nonlinear interactions in the framework of nonlinear colloidal photonic crystals, and nonlinear opals. For the colloidal crystals we mostly consider second order nonlinear processes, and the surface origin of these interactions is demonstrated. In the case of opals we focus our work on the effects that the group velocity anomalies present in the high bands of the photonic crystals, and show how we can take advantage of them for a nonlinear interaction enhancement.Using solid face methods, we have been able to covalently link a large amount of nonlinear organic molecules to the surfaces of polystyrene nanospheres. These latex spheres have the capability to self organise in a centrosymmetric lattice. We experimentally demonstrate that, given the photonic crystal properties of this material and the possibility of holding surface nonlinear interactions in the interfaces of the nanospheres, efficiencies up to 6 orders of magnitude larger than the ones obtained in the past, can be achieved.An introduction to relevant aspects of photonic crystals and nonlinear optics can be found in chapter I. In chapter II second order nonlinear interactions in photonic crystals are described.We explain how to fabricate these colloidal nonlinear crystals, and then experimentally demonstrate that second harmonic generation in the framework of colloidal photonic crystals is a surface phenomenon. In chapter III, counter-propagating sum frequency generation and third harmonic generation are discussed. In chapter IV, we experimentally demonstrate that, using an opal made of nonlinear polystyrene spheres, the enhancement of second harmonic generation is possible if one takes advantage of the group velocity anomalies presents on the edges of flat bands that are opened at higher frequencies. The main conclusions of the work are summarized in the last chapter

Propagació i generació de llum en nanoestructures fotòniques

Els materials nanoestructats periòdics han ofert, en les dues darreres dècades, un nou marc per a l'estudi de la interacció entre la radiació electromagnètica i la matèria. Aquestes estructures permeten modelar les propietats electromagnètiques dels materials i han esdevingut una eina idònia per confinar, guiar, suprimir, localitzar, dividir, dispersar, i filtrar la llum. L'abast del control de radiació electromagnètica va des de la propagació fins a la generació de la llum. Els cristalls fotònics han demostrat ser eficients per suprimir o afavorir mecanismes de generació de llum com l'emissió espontània o els processos no lineals.L'eix central d'aquesta tesi se centra en investigar els efectes fintis i fins a quin punt les propietats d'estructures ideals infinites o infinitament periòdiques es mantenen per a estructures que tenen un caràcter finit. Fins fa poc, els desenvolupaments tant experimentals com teòrics en el camp de cristalls fotònics es basaven, principalment, en càlculs que consideraven estructures ideals amb condicions de contorn perfectament periòdiques. Des dels inicis del camp, però, es van observar desajustos a les prediccions fetes amb aquestes condicions. Tanmateix, alguns d'ells resten, en gran part, inexplicats. En aquest el treball, tractem alguns d'aquests aspectes relacionats amb la propagació i generació del llum en cristalls fotònics finits reals, és a dir, com els que es fabriquen. Amb aquest propòsit, en realitzem un estudi tant teòric com experimental. Estudiem els efectes fintis tant en la regió de la primera banda de reflexió de Bragg com en el rang d'energies altes, on la longitud d'ona de la llum és de l'ordre o més petita que el paràmetre de xarxa.En concret, part del treball es dedica a l'estudi dels cristalls col·loïdals en el rang d'energies baixes. Desenvolupem un model vectorial 3D en l'aproximació de Rayleigh-Gans per simular estructures amb contrasts d'índexs baixos. Aquest model contempla aspectes rellevants dels cristalls reals com són ara les condicions de contorn, inclou una lleugera dispersió en el diàmetre de les esferes com també una absorció eficaç que descriu la difusió de Rayleigh i la dispersió inelàstica causada per la presència d'imperfeccions. Aquest model s'utilitza per estudiar la propagació dins de nanoestructures fotòniques reals, i per determinar-ne les propietats dispersives. Les prediccions del model es contrasten amb mesures experimentals dependents de la polarització de l'estructura de bandes parcial d'un cristall col·loïdal real. També determinem el temps de confinament del fotons, a l'extrem de la primera banda fotònica prohibida, per mitjà de la deformació d'un pols provocada per canvis en la velocitat de grup que acompanya l'atrapament dels fotons.Per explicar la propagació de llum en el rang d'energies altes, utilitzem el model vectorial KKR que ens permet determinar la velocitat de grup d'òpals artificials prims. Trobem que, per determinades freqüències, la velocitat de grup pot ser superlumínica, positiva, negativa o tendir a zero depenent del guix del cristall i la seva absorció. Aquest comportament es pot atribuir al carácter finit de l'estructura i explica observacions experimentals presents a la literatura. La mateixa propagació amb velocitats de grup anòmales pot explicar l'observació experimental de l'augment de la generació de segon harmònic en un òpal prim no lineal. Confirmant així que la disminució de velocitat de grup proporciona un mecanisme que afavoreix els processos no lineals.En darrer lloc, considerem una altra configuració en què la interacció no lineal quadràtica té lloc en una capa de menys d'una longitud d'ona de gruix. Demostrem que, en presència d'una superfície reflectora, la contribució de termes que no conserven el moment lineal de la llum, i que no tindrien cap contribució en un medi infinitament llarg, són els més determinants.Photonic periodic nanostructures have offered, in the last two decades, a new framework for the study of the interaction between electromagnetic radiation and matter. Such structures can engineer the electromagnetic properties of materials and have become a powerful tool used to confine, route, suppress, localize, split, disperse, and filter light. The scope of the electromagnetic radiation control can be extended to light propagation and generation. Photonic crystals have successfully been used as host materials to suppress or enhance light generation mechanisms such as spontaneous emission or nonlinear processes.The aim of this thesis is to investigate finite-size effects and to what extent the properties of ideal infinite or infinitely periodic structures hold for structures that are finite in size. Until recently, experimental as well as theoretical developments in the field of photonic crystals have been based, mostly, on calculations that consider ideal structures with perfectly periodic boundary conditions.Deviations from the behavior predicted form such assumptions were already observed when the field was born. However, some of them remained, for the most part, unexplained. In the present work, we tackle some of these aspects related to light propagation and generation in the real finite photonic crystals that can be fabricated. With this purpose, we perform such study from, both, an experimental as well as a theoretical perspective. We study finite-size effects in the region of the first order Bragg reflection band as well as in the high energy range where the wavelength of light is on the order or smaller than the lattice parameter.To be more specific, part of the work is devoted to the study of colloidal crystals at the range of low energy. We develop 3D full wave vector calculation in the Rayleigh-Gans approximation to simulate low index contrast structures. This model accounts for relevant real crystal's aspects such as boundary conditions, a slight dispersion in the spheres diameter and includes an effective absorption accounting for Rayleigh scattering and inelastic diffusion due to imperfections. This model is used to study light propagation within real photonic nanostructures, and to determine their dispersive properties. The predictions of the model are contrasted with experimental polarization dependent measurements of the partial band structure of an actual colloidal crystal. We also determine the experimental photon's lifetime, at the edge of the first order pseudogap, by means of the pulse reshaping induced by changes in the group velocity accompanied by the photon trapping.To explain light propagation in the high energy range, we use a vector KKR calculation that we apply to understand the group velocity of light propagating in artificial opals slabs. We show that for certain frequencies, the group velocity can either be superluminal, positive or negative or approach zero depending on the crystal size and absorption. Such behavior can be attributed to the finite character of the structure and accounts for previously reported experimental observations. The same propagation at anomalous group velocity may explain the experimental observation of second harmonic generation enhancement of light from a nonlinear opal film. Indeed, the group velocity slowing-down provides an enhancement mechanism for nonlinear processes.We finally consider another configuration such that the quadratic nonlinear interaction occurs within a sub-wavelength layer. In the presence of a nearby reflecting surface we demonstrate that the contribution of terms that do not conserve light momentum, and that would vanish in an infinitely long medium, is the most relevant one

Full de la FME

Peer Reviewe

Creativitat al servei del futur. El nou impuls de la Nanotecnociència

Creativity at the Service of Future Progress: New Boom in Nanotechnoscience.Currently, a host of research-project applications contain the prefi x nano. However, this could be more-closely related to a new industrial explosion than with the emergence of new conceptual proposals. Society has also been touched by the euphoria that, in some cases, could be called a “craze”- but proposals from the most cautious sectors are far from science fi ction. Among these we fi nd Biomimetics, which takes as a reference point the solutions that living beings have adopted during the evolutionary process. By uniting these technical and academic visions we generate a third more realistic view of these pet hates. Perhaps this is an alternative that provides collective genius creatively and possibly sustainably at the service of future developments

Disseny d'un acoblador direccional amb metamaterials

En aquest treball es descriu el disseny d'un acoblador direccional en anell de 1.5λ, habitualment anomenat rat-race, mitjançant metamaterials. S'utilitza una línia microstrip amb gap capacitiu en sèrie i una cel·la left-handed basada en un ressonador d'anells oberts complementari (CSRR), fent així possible una reducció de la longitud de la línia de 270º en un factor 5. Gràcies a aquesta disminució de longitud, l'àrea del dispositiu és 4 vegades menor que la del rat-race convencional. La mesura mostra que el comportament és el desitjat a la freqüència d'operació

Infrared optical filters based in macroporous silicon for espectroscopic gas detection

Aplicat embargament des de la data de defensa fins el 31 de desembre de 2021Gas detection is of great importance in areas as diverse as industry, health or safety in domestic environments or public spaces, among others, and it is highly specific to each application. The detection method depends on factors such as the species of gas to be detected, concentration range, required resolution, sensitivity, specificity, response time, operating environment (temperature, humidity, interfering species, etc.), size and cost, among other considerations. Optical gas sensors are an attractive solution for gas detection. Most of them rely on molecular absorption and offer fast responses, minimal drift and are intrinsically reliable thanks to perform self-referenced measurements. Sensitivity and selectivity depend on the characteristics of the device. For example, laser-based gas sensors are highly selective with zero cross response to other gases and also with first-in-class sensitivity. The downside is that they are expensive. Non-dispersive infra-red (NDIR) sensors are a widespread alternative for cost-effective optical detection. They have inferior performances in terms of sensitivity and selectivity than laser-based sensors, but are two or three orders of magnitude less expensive. This thesis is dedicated to improving the selectivity and sensitivity of NDIR devices through the use of macroporous silicon technology. More specifically, it studies how photonic crystals manufactured by electrochemical etching can be used as narrow mid-infrared filters for gas detection purposes. That is, the photonic crystals are designed in such a way that only a small range of frequencies from an external source are transmitted while the surroundings are blocked. These filters are narrower than those available on the market and can be used to improve the selectivity and the sensitivity of NDIR devices as well as to reduce cross detection with other gases. In addition, the study shows how macroporous silicon photonic crystals can be heated to work as selective emitters. This can be used to reduce the complexity of the NDIR device while maintaining similar optical characteristics. Furthermore, it is proven that photonic molecules can be employed to perform dual detection in both transmission and emission, giving a new approach to self-referenced measurements. Conclusions of the work show that macroporous silicon technology is a versatile platform to provide solutions in the mid-infrared range for developing compact, sensitive and selective optical gas sensing.La detecció de gasos és de gran importància en àrees tan diverses com la indústria, la salut o la seguretat en entorns domèstics o espais públics, entre d'altres, i és altament específica per a cada aplicació. El mètode de detecció a utilitzar depèn de factors com ara el gas a detectar, el rang de concentració, la resolució requerida, la sensibilitat, l'especificitat, el temps de resposta, l'entorn operatiu (temperatura, humitat, espècies interferents, etc. .), la mida i el cost, entre altres consideracions. Els sensors òptics de gas són una solució atractiva per a la detecció de gas. La majoria d'ells es basen en l'absorció molecular i ofereixen respostes ràpides, deriva mínima i són intrínsecament fiables gràcies a la realització de mesures auto-referenciades. La sensibilitat i la selectivitat depenen de les característiques del dispositiu. Per exemple, els sensors de gas basats en tecnologia làser són altament selectius, no presenten resposta creuada a altres gasos i són altament sensibles. El desavantatge és que són cars. Els sensors d'infrarojos no dispersius (NDIR) són una alternativa molt estesa per a la detecció òptica de baix cost. Tenen un rendiment inferior en termes de sensibilitat i selectivitat que els sensors basats en làser, però són dos o tres ordres de magnitud més barats. Aquesta tesi està dedicada a millorar la selectivitat i la sensibilitat dels dispositius NDIR mitjançant la tecnologia de silici macroporós. Més específicament, estudia com els cristalls fotònics fabricats mitjançant el gravat electroquímic poden ser usats com a filtres estrets d'infraroig mitjà per a la detecció de gasos. És a dir, els cristalls fotònics estan dissenyats de tal manera que només un petit rang de freqüències d'una font externa es transmet mentre que els voltants estan bloquejats. Aquests filtres són més estrets que els disponibles en el mercat i poden utilitzar-se per millorar la selectivitat i la sensibilitat dels dispositius NDIR, així com per reduir la detecció creuada amb altres gasos. A més, l'estudi mostra com els cristalls fotònics de silici macroporós poden funcionar com a emissors selectius si són escalfats. Això pot ser usat per reduir la complexitat dels dispositius NDIR alhora que es mantenen característiques òptiques similars. A més, s'ha demostrat que les molècules fotòniques poden emprar-se per realitzar una detecció dual tant en la transmissió com en l'emissió, donant un nou enfocament a les mesures auto-referenciades. Les conclusions del treball mostren que la tecnologia de silici macroporós és una plataforma versàtil que proporciona solucions en el rang d'infraroig mitjà per al desenvolupament de sensors de gas òptics compactes, sensibles i selectius.Postprint (published version

Tatsuo Itoh : discurs llegit a la cerimònia d'investidura celebrada a la Sala d'Actes del Rectorat el dia 14 d'octubre de l'any 2015

Tatsuo Itoh va ser investit doctor honoris causa per la UAB per les seves rellevants contribucions a l'enginyeria de radiofreqüència/microones i de les telecomunicacions.Nomenament 19/03/2015. A proposta de l'Escola d'Enginyeria. L'acte d'investidura va tenir lloc el 14 d'octubre de 201

Anàlisi, disseny i fabricació d'estructures periòdiques esquerranes per a la generació de filtres passabanda

El que s'ha pretès en aquest projecte és estudiar, dissenyar, fabricar i mesurar una estructura esquerrana. Dita estructura a més volem que es comporti com un filtre passabanda, amb la qual cosa hem de ser capaços de fixar els paràmetres que caracteritzen aquest filtre, és dir, la banda de pas i la freqüència central del filtre

Selective thermal emitters based on photonic crystals

Un dels límits fonamentals que afecta l'eficiència de conversió en cèl·lules fotovoltaiques és la distribució espectral de la radiació solar. D'una banda, només els fotons amb energia superior al gap del semiconductor poden convertir-se en electricitat a la cèl·lula. Els fotons de baixa energia no generen parells electró-forat. D'altra banda, l'excés d'energia dels portadors generats per fotons de molt alta energia es perd ràpidament per termalització en el propi dispositiu. Aquests fotons d'alta energia no generen una major energia elèctrica, pel que l'excés d'energia òptica es perd. Per superar aquesta limitació, la investigació s'ha centrat majoritàriament en millorar la conversió directa de fotons d'alta i baixa energia a través de, per exemple, l'ús d'up- i down-converters. Una alternativa menys estudiada consisteix en adaptar la radiació solar al dispositiu com a pas previ a la conversió. Aquesta adaptació es realitza mitjançant l'ús d'emissors selectius òpticament adaptats al semiconductor. Un emissor selectiu és un material amb una emissió tèrmica que ocupa una banda espectral estreta, en comptes d'emetre en tot l'espectre freqüencial. Aquests emissors són una alternativa eficient per obtenir grans conversions, treballant a temperatures al voltant dels 1500 K, donat que un material calentat pel Sol, o una altra font d'energia, pot reemetre llum amb una distribució espectral molt més adequada al dispositiu fotovoltaic. Aquest mode d'operació es coneix com a conversió d'energia termofotovoltaica. A la natura existeixen materials capaços de comportar-se com emissors selectius. Els òxids de terres rares representen un interesant camp d'investigació. Aquests òxids tenen una emissió tèrmica molt baixa en tot l'espectre excepte a certes freqüències. Aquestes freqüències d'emissió són úniques i selectives i provenen de ressonàncies a l'estructura cristal·lina del material. El desavantatge en la seva utilització radica en què la posició espectral d'aquests pico d'emissió, propis del material i la seva estructura, no pot ser controlada. A més, aquestes bandes d'emissió són relativament estretes, generant una baixa densitat de potència radiada. Per tant, existeix la necessitat de treballar amb materials amb una banda d'emissió selectiva que pugui ser dissenyada i controlada convenientment. La solució és l'ús de cristalls fotònics (materials artificials amb propietats òptiques que no existeixen en la natura). Encara que la seva fabricació presenta molts reptes, aquests cristalls artificials permeten el control de l'emissió espontània, suprimint-la o potenciant-la a la banda freqüencial d'interès. Existeixen varies interaccions que permeten aquest control: l'efecte de banda prohibida, la interacció per plasmons o fonons, o l'efecte de microcavitat. Tots permeten modificar l'espectre d'emissió tèrmica d'un material. La present tesis doctoral està dedicada a l'estudi de les propietats d'emissió tèrmica, i estabilitat tèrmica, d'emissors selectius basats en cristalls fotònics. S'han analitzat varies estructures: cristalls fotònics basats en silici macroporós, quasi-cristalls fotònics i microcavitats metàl·liques. També, en col·laboració amb altres grups d'investigació, s'han analitzat les propietats tèrmiques de cristalls col·loïdals. En el present treball, es mostra que els cristalls i quasi-cristalls basats en silici macroporós poden inhibir eficientment la radiació tèrmica de manera controlable, sent a més estables a alta temperatura fins 1500 K. Respecte els cristalls metàl·lics, l'estudi realitzat mostra la seva alta selectivitat espectral, encara que aquests emissors han de treballar a temperatures inferiors a 1100 K per garantir la seva estabilitat estructural i òptica.One of the fundamental limits of conversion efficiency in photovoltaic cells is the broadband distribution of solar spectrum. On one hand, only photons with energy higher than the semiconductor's bandgap can be converted in the device, on the other hand, carriers generated by high energy photons rapidly loose their excess of energy by thermalization with the lattice. To overcome this limitation, and span the useful convertible region of solar spectrum, many approaches have focused on improving the direct photon to electron conversion by the development of up- and down-converters. A less studied alternative, however, is the use of spectrally narrow distributed emitters, optically matched with the gap energy of the photovoltaic cell, instead of direct sunlight. Indeed, a material heated by the sun, or another energy source as methane or hydrogen, can re-emit light with suitable spectral distribution and significant higher power density, improving conversion efficiencies in solar cells. This way of operation is known as thermophotovoltaic energy conversion. Several materials have been considered to be used as emitters in thermophotovoltaic systems. Silicon carbide is a common one, thanks to its high stability at temperatures up to >2000 K. However, its broadband spectral emission limits the conversion efficiency in the photovoltaic device and forces to work at elevated temperatures. Selective emitters, which stand for materials whose thermal emission occupies a narrow spectral region, are a promising alternative to reach elevated conversion efficiencies at lower temperatures. Natural selective emitters as rare earths have attracted considerable research interest as they present unique emission peaks with the highest emittance level. This approach, however, presents some drawbacks, the spectral position where strong emission appears is not controllable, and the width of the emission band is relatively narrow, leading to a low power density emitted by the source. An advantageous way to engineer the selective emission of a thermal source and control the spectral position and bandwidth of strong emission, is by making use of photonic crystals (articial materials engineered to show optical properties that may not be found in nature). The spectral control of the spontaneous emission in such materials is a unique feature of photonic crystals, although their fabrication, mainly in three-dimensions, is still challenging. Several interactions between photonic crystals and radiation have been reported: the photonic bandgap effect, surface plasmon polaritons, phonon polaritons, or the microcavity effect, to give some examples. All these approaches allow engineering the thermal emission of materials to match the energy band of the photovoltaic cell and benefit the optical to electrical conversion efficiency, although some limitations arise when utilized in high temperature thermophotovoltaic systems which will be analyzed during the realization of this thesis. This thesis is therefore devoted to the study of the thermal emission properties and thermal stability of photonic crystal based selective emitters. Various structures have been analyzed: macroporous silicon crystals, photonic quasi-crystals and metallic microcavities. A study in self-assembled colloidal crystals was also started and the preliminary results are presented in the appendix of the document. Here, it is demonstrated that macroporous silicon crystals and quasi-crystals can inhibit thermal radiation in a controllable manner with thermal stability up to 1500 K. The great selective emission properties of metallic microcavities is also demonstrated, although the working temperature of such structures is limited below 1100 K to prevent degradation of the metallic layer

Ones superficials de Dyakonov en metamaterials

Les interfícies planes entre materials diferents juguen un paper important en molts fenòmens òptics. En òptica fonamental, per exemple, la interfície és la responsable de la reflexió i la refracció. No obstant això, quan succeeix el fenomen de la reflexió total interna es pot discernir un canvi més gradual del camp prop de la interfície. Així Newton es va adonar que l’ona incident, que pareix que no entra en el material refractant, realment sí que penetra en este material amb una amplitud que decau exponencialment en una distància microscòpica. L’ona penetrant, coneguda com ona evanescent, va ser considerada només una curiositat teòrica. Recentment, però, les ones evanescent s’han utilitzat en noves tecnologies en desenvolupament com per exemple l’espectroscòpia de camp proper. Altre fenomen, l’existència d’ones superficials electromagnètiques, està fins i tot més lligat a la interfície. Este tipus d’ona viatja en una direcció paral·lela a la interfície però, a banda i banda d’esta interfície, la seva amplitud decau exponencialment tornant-se imperceptible a una certa distancia de la interfície. La noció d’una ona superficial electromagnètica va aparéixer notòriament en 1907 quan Zenneck publicà un article teòric explorant la possibilitat d’una ona guiada per la interfície de l’atmosfera i, o be la terra, o una gran extensió d’aigua. Es va enfocar en les ones de radio, una regió de l’espectre electromagnètic que es troba molt lluny del regim en el que estem especialment interessats, el òptic, donat que anem a utilitzar metamaterials per tal de guiar les ones superficials. No obstant això, degut a la invariància d’escala dels postulats de Maxwell, els principis implicats són els mateixos. Avui dia, gairebé un segle després, un únic tipus d’ona, el plasmó polaritó superficial (SPP, de l’anglés Surface Plasmon Polariton), domina l’escena de la nanotecnologia, almenys a freqüències òptiques, donant lloc a desenvolupaments com la creació de sensors biològics/químics extremadament sensibles; tecnologia que continua millorant-se actualment. Inclús en esta aplicació molt desenvolupada, els dos materials a banda i banda de la interfície son molt simples: Un és un metall típic—un material plasmònic a freqüències òptiques—i l’altre és un material dielèctric isòtrop homogeni. La importància dels SPPs i les ones superficials en general, però, no residix únicament en la seva inherent ultra-localització (sublongitud d’ona), sinó que també permet l’amplificació de senyals evanescents que viatgen a prop de les superfícies. Estes propietats van ser implementades en enginyeria de metamaterials durant la dècada passada, permetent una plètora d’aplicacions incloent enfocament subdifractiu, imatges amb resolució de sublongitud d’ona, filtrat de senyals i capes d’invisibilitat. Mentres que la interfície d’un material plasmònic i un altre polaritzable suporta SPPs, una gran varietat d’altres tipus d’ones superficials poden ser suportades per la interfície de dos materials polaritzats. Donat que els materials polaritzables (dielèctrics) son menys dissipatius, en general, que els materials plasmònics (metalls), és evident l’avantatge d’estos materials per a la propagació de llarg abast de les ones superficials. Per altre costat, la incorporació d’amplificació òptica en el dielèctric adjacent pot compensar l’absorció en el metall. No obstant, este procediment està limitat a un nombre reduït d’aplicacions en optoelectrònica. Els signes oposats en les parts reals de les permitivitats escalars dels dos materials adjacents—i les condicions anàlogues si un o els dos materials adjacents son anisòtrops—son essencials en la propagació de SPPs. No obstant, la interfície entre dos materials dielèctrics homogenis on al menys un d’ells és anisòtrop, pot suportar la propagació d’altre tipus d’ones superficials, inclús si les parts reals de totes les components del tensor de la permitivitat elèctrica d’ambdós materials son positives. Encara que la investigació va començar als anys 70, l’interès en les ones superficials guiades per la interfície de dos materials dielèctrics va enlairar-se després de que en 1988 Dyakonov explorà la propagació d’ones superficials guiades en la interfície d’un material dielèctric unàxic i un dielèctric isòtrop. Les ones superficials de Dyakonov son l’objectiu d’esta Tesi. A causa de la complicada naturalesa de les expressions del camp en un material anisòtrop, la investigació teòrica de les ones de Dyakonov guiades per la interfície de diversos materials dielèctrics homogenis sota diferents condicions continua fins a hui. Addicionalment l’estret rang de direccions de propagació per al que existeixen estes ones fa el treball experimental difícil, tant que la primera observació d’ones de Dyakonov es va fer a l’any 2009, més de dos dècades després de la seva introducció teòrica. Ressaltem un recent article on s’exciten ones de Dyakonov usant xarxes de difracció, tècnica que sembla tenir certs avantatges respecte a la configuració de Kretschmann. Des de eixe moment, l’abast del terme ones de Dyakonov s’ha ampliat per incloure ones superficials guiades per la interfície de dos materials dielèctrics homogenis, sent al menys un d’ells anisòtrop; fins i tot materials adjacents bianisòtrops i medis periòdics uniàxics son admissibles. L’existència d’ones guiades per pel·lícules dielèctriques dipositades al llarg d’un cristall anisòtrop també es discutix en altres referencies. La presencia d’ones de superfície polaritzades híbridament amb algunes característiques semblants, es poden, addicionalment, trobar quan reemplacem el medi uniàxic per un medi indefinit, un plasma uniàxic, un material lineal electro-òptic, o un material estructuralment quiral. Per l’altre costat, en lloc d’un dielèctric homogeni, podem utilitzar un medi magnètic, un metall noble, o un medi amb un índex de refracció negatiu. S’han proposat diferents opcions com alternativa per tal d’incrementar el rang de direccions per la propagació d’ones de Dyakonov. Utilitzant l’efecte Pockels, per exemple, podem ampliar significativament este rang en més d’un ordre de magnitud. No obstant, la forma més comuna d’aconseguir-lo és mitjançant l’ús de cristalls fotònics amb anisotropia extrema. En esta línia, es va proposar una matriu periòdica de cilindres circulars dins d’una peça de silici per tal d’augmentar el rang angular fins alguns graus. De forma similar, s’ha suggerit en altres articles l’ús de làmines primes en columnes. No obstant això, s’assoleixen resultats sorprenents si les estructures anisòtropes inclouen nanoelements metàl·lics, com passa per exemple amb una multicapa metall-dielèctric (MD) senzilla, on el rang angular pot sobrepassar els 45º. Als cassos anteriors, la forma de la birefringència es modela simplement utilitzant el règim de longitud d’ona llarga, que ens permet l’homogeneïtzació del metamaterial estructurat. Per nanoestructures, però, la teoria del medi efectiu ens condueix a un tensor de permitivitats efectives amb elements complexos. En altres paraules, l’efecte de l’anisotropia ve amb pèrdues causades per l’absorció al metall. Com a resultat d’utilitzar un material uniàxic amb pèrdues, les ones de Dyakonov no es poden propagar indefinidament i la longitud de propagació passa a ser finita. La contribució de la nanotecnologia moderna al desenvolupament de la investigació en ones superficials electromagnètiques és significant. Encara que la natura proveeix abundants materials i situacions que motiven la investigació científica, no hi ha res comparat amb les perspectives de nous i útils dispositius per provocar un remolí d’activitat investigadora. Els recents desenvolupaments en nanotecnologia proporcionen una gran quantitat de noves possibilitats. En particular, els materials amb una estructura dissenyada a escala nanomètrica han proporcionat una plataforma per a la investigació i han produït alguns dels resultats més interessants. Mentres que no era possible contemplar este tipus de materials quan va sorgir la noció d’ones de superfície suportades només per materials dielèctrics, la seva producció és ara gairebé rutinària. Amb la capacitat actual per dissenyar i fabricar una àmplia varietat de materials, és possible preveure algunes aplicacions interessants; i segurament molts més usos que ens prendran per sorpresa. OBJECTIUS En esta Tesi, farem un anàlisi en profunditat de les ones superficials de Dyakonov que tenen lloc en materials nanoestructurats MD semiinfinits. Farem especial èmfasi quan l’aproximació del medi efectiu (EMA, de l’anglés Effective Medium Approximation) no dóna resultats satisfactoris, el que succeeix en la gran majoria de les configuracions experimentals. Anem a examinar materials nanoestructurats plasmònics que mostren tant corbes de dispersió espacial tancades, de la mateixa forma que ocorre amb els cristalls naturals birefringents, com a corbes de dispersió hiperbòlica. En particular, anem a considerar materials nanoestructurats MD per a freqüències baixes i també en el règim d’alta freqüència (proper a la freqüència de plasma). En este últim serà quan el metamaterial exhibirà dispersió hiperbòlica. L’anàlisi de casos pràctics incloent efectes dissipatius deguts a pèrdues òhmiques al metall i als efectes no locals completaran el nostre estudi. Finalment, les nostres simulacions numèriques ens mostraran l’evolució d’un paquet d’ones composat exclusivament per ones superficials de Dyakonov (DSW, de l’anglés Dyakonov Surface Waves).The planar interface of two dissimilar materials plays a relevant role in many optical phenomena. In fundamental Optics, for instance, the material interface appears to be responsible for reflection and refraction. However, a more gradual change can be discerned at the interface when total internal reflection occurs. Thus Newton realized that the incident wave, which seems not to enter the refracting material, actually penetrates that material with an amplitude that decays exponentially with distance from the interface on the microscopic scale. The penetrating wave, known as an evanescent wave, was once mainly a theoretical curiosity. In recent years, however, evanescent waves have been used in newly developing technologies such as near-field spectroscopy. Another phenomenon, the electromagnetic surface wave, is even more intimately tied to the interface. Such a wave travels in a direction parallel to the interface but, on either side of the interface, its amplitude is imperceptible after a certain distance from the interface. The notion of an electromagnetic surface wave made a significant appearance in 1907 when Zenneck authored a theoretical paper exploring the possibility of a wave guided by the interface of the atmosphere and either earth or a large body of water. His focus was on radio waves, a region of the electromagnetic spectrum far from the optical regime in which we are particularly interested when nanomaterials are to be used to guide surface waves. Nonetheless, the principles involved are the same, owing to the scale invariance of the Maxwell postulates. Yet, nearly a century later, a unique type of wave, the surface-plasmon-polariton (SPP) wave, dominates the nanotechnology scene, at least at optical frequencies, resulted in wonderful developments with the creation of extremely sensitive bio/chemical sensors; and improvements in this mature technology continue to this day. Even in this highly developed application, the two partnering materials which meet at the interface may be simple: one is a typical metal—a plasmonic material at optical frequencies—and the other is a homogeneous, isotropic, dielectric material. The relevance of SPPs and surface waves in general, however, rests not only with their inherent subwavelength localization, but also they enable an amplification of evanescent signals travelling near the surfaces. These functionalities are being implemented in metamaterial engineering during the last decade aiming at a plethora of applications including subdiffraction focusing, subwavelength resolution imaging, signal filtering, and invisibility cloaking. While the interface of a plasmonic material and a polarizable material supports SPPs, a variety of other types of surface waves can be supported by the interface of two polarizable materials. Since polarizable materials such as dielectric materials are less dissipative, in general, than plasmonic materials such as metals, the advantage of these materials for long-range propagation of surface waves is apparent. On the other hand, incorporation of optical gain into the adjacent dielectric can compensate absorption in metal. However, such a procedure is limited to a reduced number of applications in optoelectronics. Opposite signs of the real parts of the permittivity scalars of the two isotropic partnering materials—and analogous conditions if one or both partnering materials are anisotropic—are essential to SPP wave propagation. However, the interface of two homogeneous dielectric materials of which at least one is anisotropic may support surface-wave propagation of another type, even though the real parts of all components of the permittivity dyadics of both materials are positive. Although research began in the 1970s, interest in surface waves guided by the interface of two dielectric materials began to take off after Dyakonov in 1988 explored the propagation of a surface wave guided by the interface of a uniaxial dielectric material and an isotropic dielectric material. The Dyakonov surface wave is the focus of this Thesis. Due to the complicated nature of the field expressions in an anisotropic material, theoretical research on Dyakonov waves guided by the interface of various homogeneous dielectric materials under different conditions continues to this day. In addition, the narrow range of directions for Dyakonov-wave propagation makes experimental work difficult, so much so that the first observation of a Dyakonov wave was made only in 2009, more than two decades after its theoretical introduction. Since then, the scope of the term Dyakonov wave has expanded to include surface waves guided by the interface of two homogeneous dielectric materials, at least one of which is anisotropic; even bianisotropic partnering materials and periodic uniaxial media are admissible. Existence of waves guided by thin dielectric films deposited over a anisotropic Crystal for waveguiding was also discussed in other papers. The presence of hybrid polarization surface waves with some parallel characteristics, additionally, may be found when replacing the uniaxial medium by an indefinite medium, uniaxial plasma, a linear electro-optic material, or a structurally chiral material. On the other hand, instead of a homogeneous dielectric, we may also employ a magnetic medium, a noble metal, or a left-handed material. Several proposals have been offered as an alternative to substantially increase this range of directions for Dyakonov-wave propagation. By using the Pockels effect, for instance, this range of directions can be broadened by more than an order of magnitude. However, the most accepted route lies on the use of photonic crystals with extreme anisotropy. In this line, a periodic array of cylindrical rods into a prepared silicon piece was first proposed in order to enlarge the angular range up to a few degrees. Similarly, columnar thin films have been evoked elsewhere. However, striking results are attained if the anisotropic structures include metallic nanoelements, as it occurs for example with a simple metal-dielectric multilayer, a case where the angular range may exceed 45º. In the previous cases, form birefringence is modeled simply by using the long-wavelength regime that enables a homogenization of the structured metamaterial. For metallodielectric nanostructures, however, the effective-medium theory leads to an average permittivity tensor with complex-valued elements. In other words, the effect of anisotropy comes with losses caused by absorption in metal. As a result of utilizing a lossy uniaxial material, Dyakonov-waves cannot propagate indefinitely and the propagation length becomes finite. The contribution of modern nanotechnology to the development of research on electromagnetic surface waves is significant. Although nature provides abundant materials and situations that motivate explorations purely out of scientific curiosity, there is nothing like the prospects of new and useful devices to prompt on a turmoil of research activity. Recent developments in nanotechnology provide a host of new possibilities. A variety of materials with desirable complexities have been developed. In particular, materials with an engineered nanoscale structure have provided a platform for investigation and produced some of the most interesting results. While it was not possible to contemplate such materials when the notion of surface waves supported only by dielectric materials emerged, their production is now nearly routine. With the current ability to design and fabricate a vast variety of materials, it is possible to foresee some interesting applications; many more uses will surely take us by surprise. OBJECTIVES In this Thesis, we will perform a thorough analysis of Dyakonov-like surface waves (DSWs) taking place in semi-infinite metal-dielectric (MD) lattices. Special emphasis will be put when the effective-medium approximation (EMA) induces unsatisfactory results, which occurs in most experimental configurations. We will examine plasmonic lattices that exhibit either closed spatial-dispersion curves, in the same manner that occurs with natural birefringent crystals, or hyperbolic dispersion. In particular, we will consider MD lattices for low frequencies and in the high-frequency regime (close to the plasma frequency), the latter exhibiting hyperbolic dispersion. The analysis of practical cases including dissipative effects due to ohmic losses in the metal and retardation effects will fulfill our study