Shaping of light beams with photonic crystals : spatial filtering, beam collimation and focusing

The research developed in the framework of this PhD thesis is a theoretical, numerical and experimental study of light beam shaping (spatial filtering, beam collimation and focusing) in the visible frequency range using photonic crystal structures. Photonic crystals (PhCs) are materials with periodic, spatially modulated refractive index on the wavelength scale. They are primarily known for their chromatic dispersion properties. However, they can also modify the spatial dispersion, which allows managing the spatial properties of the monochromatic light beams. In the first part of my thesis we experimentally show that particular spatial dispersion modification in PhCs can lead to spatial (angular) filtering of light beams. The study is focused on the spatial filtering efficiency improvement by introducing chirp (the variation of longitudinal period of the structure) in the crystal structure. Additionally, to enhance the effect, we consider different geometries and materials. The work presented in this PhD thesis brings closer to reality the creation of a new generation spatial filters for micro-photonic circuits and micro-devices. The second part of the study is devoted to the theoretical, numerical and experimental analysis of the formation of negative spatial dispersion in PhCs, which gives rise to collimation and focusing effects behind the PhCs. The ideas developed in my PhD also work in lossy systems, in particular in metallic PhCs. The simulation results for metallic PhCs are presented, in which both effects- spatial filtering and beam focusing, are shown.La recerca desenvolupada en el marc d'aquesta tesi doctoral és un estudi teòric, numèric i experimental de la modificació de la forma de feixos de llum (filtratge espacial, col·limació i focalització) en el rang visible de freqüències utilitzant estructures de cristall fotònic. Els cristalls fotònics (CFs) són materials amb una modulació periòdica de l'índex de refracció en l'escala de la longitud d'ona, i són principalment coneguts per les seves propietats relacionades amb la dispersió temporal. Tot i això, la dispersió espacial també pot ser modificada mitjançant CFs, fet que permet controlar les propietats espacials de feixos monocromàtics de llum. En la primera part de la tesi, mostrem experimentalment el fet que certes modificacions de la dispersió espacial en CFs poden donar lloc a filtratge espacial (angular) de feixos de llum. L'estudi es focalitza en la millora de l'eficiència del filtratge espacial mitjançant la introducció de "chirp" (la variació del període longitudinal de l'estructura) en el CF. A més, per tal d'incrementar l'efecte considerem diferents estructures i materials. El treball presentat en aquesta tesi doctoral acosta a la realitat la creació d'una nova generació de filtres espacials per a circuits micro-fotònics i micro-dispositius. La segona part d'aquest estudi se centra en l'anàlisi teòric, numèric i experimental de la formació de dispersió espacial negativa en CFs, la gual dóna lloc a efectes de col·limació i focalització un cop travessat el CF. Les idees desenvolupades en aquesta tesi doctoral també són aplicables a sistemes amb pèrdues, en particular a CFs metàl·lics. Els resultats de les simulacions mostren l'existència d'ambdós efectes, filtratge espacial i focalització, en CFs metàl·lics

Spatial Filter based on Photonic Crystals

Tesina realitzada en col.laboracio amb Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), Universitat de Barcelona (UB) i Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).Engish: Photonic crystals are considered as promising materials for controlling and manipulating the flow of light. In this work we give first experimental evidences of spatial filtering of light beams by three-dimensional ultra-low contrast Photonic crystals made in fused silica glass. Sequentially, we experimentally observe well collimated laser beam by a moderate contrast Photonic crystals of woodpile type. We interpret the observations by theoretical and numerical studies.Castellano: Los cristales fotónicos son considerados como materiales prometedores para el control y manipulación del flujo de luz. En este trabajo primero se muestran las evidencias del filtrado espacial de los rayos de luz mediante cristales fotónicos tridimensionales ultra-bajos hechos con vidrio fundido de sílica. Secuencialmente, hemos observado experimentalmente una buena colimaciñon del láser mediante cristales fotónicos de tipo pila. Se interpretan las observaciones tanto con estudios teóricos como estudios numéricos.Català: Els cristalls fotònics són considerats com a materials prometedors per controlar i manipular el fluxe de llum. En aquest treball donem primer les evidències experimentals del filtrat espacial dels rajos de llum mitjançant uns cristalls fotònics tridimensionals de contrast ultra-baix fets en vidre de sílica. Seqüencialment, hem observat experimentalment una bona col·limació del feix del làser per cristalls fotònics de contrast moderat del tipus pila. Interpretem les observacions tant amb estudis teòrics com numèrics

Spatial Filter based on Photonic Crystals

Tesina realitzada en col.laboracio amb Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), Universitat de Barcelona (UB) i Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).Engish: Photonic crystals are considered as promising materials for controlling and manipulating the flow of light. In this work we give first experimental evidences of spatial filtering of light beams by three-dimensional ultra-low contrast Photonic crystals made in fused silica glass. Sequentially, we experimentally observe well collimated laser beam by a moderate contrast Photonic crystals of woodpile type. We interpret the observations by theoretical and numerical studies.Castellano: Los cristales fotónicos son considerados como materiales prometedores para el control y manipulación del flujo de luz. En este trabajo primero se muestran las evidencias del filtrado espacial de los rayos de luz mediante cristales fotónicos tridimensionales ultra-bajos hechos con vidrio fundido de sílica. Secuencialmente, hemos observado experimentalmente una buena colimaciñon del láser mediante cristales fotónicos de tipo pila. Se interpretan las observaciones tanto con estudios teóricos como estudios numéricos.Català: Els cristalls fotònics són considerats com a materials prometedors per controlar i manipular el fluxe de llum. En aquest treball donem primer les evidències experimentals del filtrat espacial dels rajos de llum mitjançant uns cristalls fotònics tridimensionals de contrast ultra-baix fets en vidre de sílica. Seqüencialment, hem observat experimentalment una bona col·limació del feix del làser per cristalls fotònics de contrast moderat del tipus pila. Interpretem les observacions tant amb estudis teòrics com numèrics

Spatial filtering with photonic crystals

Photonic crystals are well known for their celebrated photonic band-gaps-the forbidden frequency ranges, for which the light waves cannot propagate through the structure. The frequency (or chromatic) band-gaps of photonic crystals can be utilized for frequency filtering. In analogy to the chromatic band-gaps and the frequency filtering, the angular band-gaps and the angular (spatial) filtering are also possible in photonic crystals. In this article, we review the recent advances of the spatial filtering using the photonic crystals in different propagation regimes and for different geometries. We review the most evident configuration of filtering in Bragg regime (with the back-reflection-i.e., in the configuration with band-gaps) as well as in Laue regime (with forward deflection-i.e., in the configuration without band-gaps). We explore the spatial filtering in crystals with different symmetries, including axisymmetric crystals; we discuss the role of chirping, i.e., the dependence of the longitudinal period along the structure. We also review the experimental techniques to fabricate the photonic crystals and numerical techniques to explore the spatial filtering. Finally, we discuss several implementations of such filters for intracavity spatial filtering.Postprint (published version

Spatial Filter based on Photonic Crystals

Tesina realitzada en col.laboracio amb Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), Universitat de Barcelona (UB) i Universitat Autònoma de Barcelona (UAB).Engish: Photonic crystals are considered as promising materials for controlling and manipulating the flow of light. In this work we give first experimental evidences of spatial filtering of light beams by three-dimensional ultra-low contrast Photonic crystals made in fused silica glass. Sequentially, we experimentally observe well collimated laser beam by a moderate contrast Photonic crystals of woodpile type. We interpret the observations by theoretical and numerical studies.Castellano: Los cristales fotónicos son considerados como materiales prometedores para el control y manipulación del flujo de luz. En este trabajo primero se muestran las evidencias del filtrado espacial de los rayos de luz mediante cristales fotónicos tridimensionales ultra-bajos hechos con vidrio fundido de sílica. Secuencialmente, hemos observado experimentalmente una buena colimaciñon del láser mediante cristales fotónicos de tipo pila. Se interpretan las observaciones tanto con estudios teóricos como estudios numéricos.Català: Els cristalls fotònics són considerats com a materials prometedors per controlar i manipular el fluxe de llum. En aquest treball donem primer les evidències experimentals del filtrat espacial dels rajos de llum mitjançant uns cristalls fotònics tridimensionals de contrast ultra-baix fets en vidre de sílica. Seqüencialment, hem observat experimentalment una bona col·limació del feix del làser per cristalls fotònics de contrast moderat del tipus pila. Interpretem les observacions tant amb estudis teòrics com numèrics

Direct laser writing and applications of dielectric microstructures with low refractive index contrast

Abstract not reproduced here by request of the publisher. The text is available from: http://dx.doi.org/10.1117/12.875951

Spatial filtering by axisymmetric photonic crystals

Photonic crystals due to their angular bandgaps and quasi-bandgaps can provide spatial (angular) filtering of light. Two-dimensional photonic crystals (photonic structures modulated along the longitudinal and along one transverse dimension) can provide spatial filtering in one one-dimensional, decreasing the beam divergence in one quadrature. Three-dimensional crystals can provide two-dimensional filtering, with the shape of the filtering window corresponding to the symmetry of photonic crystal (e.g. forming a quadratic, or hexagonal shape beams). For many applications axisymmetric spatial filtering is required, in order to obtain diffraction limited axisymmetric Gaussian beams. For that purpose we developed and fabricated axisymmetric photonic crystal-like structures (periodic in longitudinal direction, but aperiodic in transverse direction). We overview the axisymmetric filtering: physical principles, simulations, fabrication, and experimental measurementsPeer ReviewedPostprint (published version

Spatial filtering by axisymmetric photonic crystals

Photonic crystals due to their angular bandgaps and quasi-bandgaps can provide spatial (angular) filtering of light. Two-dimensional photonic crystals (photonic structures modulated along the longitudinal and along one transverse dimension) can provide spatial filtering in one one-dimensional, decreasing the beam divergence in one quadrature. Three-dimensional crystals can provide two-dimensional filtering, with the shape of the filtering window corresponding to the symmetry of photonic crystal (e.g. forming a quadratic, or hexagonal shape beams). For many applications axisymmetric spatial filtering is required, in order to obtain diffraction limited axisymmetric Gaussian beams. For that purpose we developed and fabricated axisymmetric photonic crystal-like structures (periodic in longitudinal direction, but aperiodic in transverse direction). We overview the axisymmetric filtering: physical principles, simulations, fabrication, and experimental measurementsPeer Reviewe

Super-collimation by axisymmetric photonic crystals

We propose and experimentally show the mechanism of beam super-collimation by axisymmetric photonic crystals, specifically by periodic (in propagation direction) structure of layers of concentric rings. The physical mechanism behind the effect is an inverse scattering cascade of diffracted wave components back into on-and near-axis angular field components, resulting in substantial enhancement of intensity of these components. We explore the super-collimation by numerical calculations and prove it experimentally. We demonstrate experimentally the axial field enhancement up to 7 times in terms of field intensity.Peer Reviewe

United Arab Emirates Building conditions and materials

8.00SIGLELD:GPB-2985 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo