Fotonische kristallen zijn materialen die bijzondere verschijnselen vertonen\ud
wanneer men er met licht van buitenaf naar kijkt. In feite zijn fotonische\ud
kristallen zelfs ontworpen om nog onalledaagsere verschijnselen te veroorzaken\ud
wanneer de lichtbron binnen in het kristal wordt geplaatst

Koenderink, A. Femius

Fotonische kristallen zijn materialen die bijzondere verschijnselen vertonen wanneer men er met licht van buitenaf naar kijkt. In feite zijn fotonische kristallen zelfs ontworpen om nog onalledaagsere verschijnselen te veroorzaken wanneer de lichtbron binnen in het kristal wordt geplaatst

Koenderink, A.F.

NARCIS 

Fotonische kristallen: houdgreep op maat voor lichtbronnen

University of Twente Research Information

Een fotonisch kristal is een in alledrie dimensies regelmatig opge-bouwd samenstelsel van dielec-trische materialen, waarbij de afs-tand tussen bouwstenen ongeveerzo groot is als de golflengte vanlicht. Een voorbeeld uit de natuuris opaal: een dichte stapeling vankleine glasbolletjes die alledezelfde straal hebben (ca. 200nm). Hoewel dit erg klein lijkt, isde afstand tussen de bouwstenenzo'n 1000 maal groterdan die tussen atomenin een normaal kristal,zoals bijvoorbeeldkeukenzout. Zo op het oog vertonenfotonische kristallen eenzelfde kleurenspel alsbijvoorbeeld parelmoer,pauwenveren of deonderkant van een com-pact-disc: onderbepaalde belichtingenzijn fel gekleurde weerkaatsingente zien die bij kleine veranderingvan belichting van kleur wisselen.Deze  kleuren zijn het gevolg vaninterferentie. Wanneer degolflengte precies past op de afs-tand tussen kristalvlakken, ver-sterken golven die verstrooid zijnaan opeenvolgende vlakken elkaar.Zo'n reflectie aan een gelaagdestructuur heet 'Bragg reflectie' (ziefiguur 1). Omdat een fotonischkristal langs verscheidene richtin-gen dezelfde regelmaat ('roosteraf-stand') heeft, reflecteert het ooklangs meerdere richtingen dezelfdekleuren. Door de materialen goedte kiezen en te rangschikken kantheoretisch zelfs een kristalgemaakt worden met een 'fotonis-che bandkloof'. Zo'n kristalweerkaatst een bepaalde kleurlicht en houdt deze kleur buiten,ongeacht de richting waarin hetlicht invalt. Een bandkloof-kristalis dus een drie-dimensionalereflector, ook wel 'omnidirec-tionele spiegel' genoemd.Op zichzelf is een object dat eenbepaalde kleur ongeacht de inval-srichting weerkaatst niet zo inter-8Fotonische kristallen: houdgreepop maat voor lichtbronnenFEMIUS KOENDERINKFotonische kristallen zijn materialen die bijzondere verschijnselen vertonenwanneer men er met licht van buitenaf naar kijkt. In feite zijn fotonischekristallen zelfs ontworpen om nog onalledaagsere verschijnselen te veroorza-ken wanneer de lichtbron binnen in het kristal wordt geplaatst. ARAGO FOCUSFiguur 1: Constructieve interferentieveroorzaakt sterke reflectie ('Braggreflectie') wanneer het weglengte ver-schil 2dcos  tussen reflecties aanopeenvolgende kristalvlakken gelijk isaan de golflengte  .essant. Een metalen doos is bijvoorbeeld ook eenomnidirectionele spiegel. Er is echter een belangrijkverschil tussen een metalen doos en een kristal meteen bandkloof. Binnen in een metalen doos kan weldegelijk licht zijn; als men er een lichtbron inplaatst, straalt deze gewoon. Dat het licht van bin-nen aan de buitenkant niet zichtbaar is (en licht vanbuiten binnenin ook niet) heeft alleen te maken methet feit dat licht niet door het oppervlak van dedoos heen kan. Een fotonisch kristal met een band-kloof sluit daarentegen alle kleuren die het omnidi-rectioneel reflecteert echt uit. Licht van die kleurenkan in zo'n kristal dus niet bestaan; men kan delichtbron wel proberen aan te zetten, maar hij zalgeen licht uitzenden! Het verrassende van deze situ-atie wordt duidelijk wanneer men denkt aan eenatoom of molecuul als lichtbron.Quantummechanica voorspelt het spectrum dat eenatoom uitzendt wanneer het terugvalt van eenaangeslagen toestand naar de grondtoestand heelprecies: dit hangt alleen af van de massa van dekern, en het aantal elektronen van het atoom. Denkbijvoorbeeld  aan het karakteristieke oranje lichtvan natriumatomen in de lampen langs de snelweg.Het uitzenden van het licht (emissie) gebeurt spon-taan en in een willekeurige richting, en het momentvan uitzenden berust op toeval. De kleur en degemiddelde tijd tussen aanslaan en spontane emissiezijn karakteristieken van het atoom. Toch kan delevensduur beïnvloed worden. We stellen onsbijvoorbeeld voor dat het aangeslagen atoom in eenkristal wordt geplaatst dat een bandkloof heeft dieprecies past bij de overgangsenergie van het atoom.Omdat het kristal het uit te zenden foton helemaalniet toelaat kan het atoom niet stralen en zal hetoneindig lang aangeslagen blijven (zie figuur 2). Delevensduur van het atoom kan dus beïnvloed wor-den door zijn optische omgeving aan te passen. Hetblijkt dat niet alleen vertraging van stralend verval,maar ook versnelling mogelijk is. Kleine veran-deringen in levensduur (meest versnellingen) zijninderdaad waargenomen voor atomen tussen tweedicht op elkaar staande spiegels. Fotonische band-kloof materialen bieden een unieke mogelijkheidom spontane emissie te vertragen of echt te ver-bieden. Nog vreemder wordt het als het atoomingebouwd wordt bij een kleine verstoring in hetregelmatige rooster van een fotonisch kristal metbandkloof. Er is voorspeld dat zo'n roosterfout ervoor kan zorgen dat er in plaats van geen, precieséén toestand voor het uit te zenden foton is. Omdathet defect van alle kanten omgeven is door perfectreflecterend kristal fungeert het als een kooi voorlicht: welke kant het foton ook op wil, het wordtaltijd Bragg-gereflecteerd terug naar het defect. Hetlicht wordt zo opgesloten in een trilholte  tergrootte van zijn eigen golflengte   in alle driedimensies. AUGUSTUS 2003 9Figuur 2: (a) Een atoom of molecuul in de vrije ruimte kan in alle richtin-gen stralen. (b) Als de uitstralingsgolflengte in een bandkloof valt straalt hetatoom helemaal niet, en moet aangeslagen  blijven. (c) Bij een defect (mis-sende bol) in een bandkloofmateriaal kan het atoom steeds weer een fotonuitwisselen met het defect dat als trilholte werkt; het foton kan niet weg.Helaas is het is erg moeilijk om een fotonischebandkloof te maken. Ten eerste is een uitdaging datde regelmaat van de structuur zo klein moet zijndat alledaagse mechanische werktuigen om eenstructuur in elkaar te zetten geen uitkomst bieden.Het tweede, voornaamste, probleem is dat hetmateriaal moet bestaan uit een samenstelsel vancomponenten waartussen een zo groot mogelijkverschil in brekingsindex bestaat. Veel materialen inde natuur hebben een brekingsindex van ongeveer1.5. Zelfs als lucht (met de laagst mogelijke brek-ingsindex van 1.0) als één component voor hetkristal gekozen wordt, moet de andere componenteen index van tenminste 2 à 3 hebben. Er is slechtseen handvol materialen die in aanmerking komen,en dit zijn alle halfgeleiders. Onze groep heeft alsucces geboekt door kunstmatige opalen als mal tegebruiken om luchtbollen  in een skelet van titaan-wit  te maken (figuur 3). In de MESA+ cleanroomhopen we binnenkort bandkloofkristallen te makenin, bijvoorbeeld, silicium (index 3.5).Nog niemand heeft een bandkloof aangetoond.Toch is het goed na te gaan wat praktisch haalbaretoepassingen zijn als we spontane emissie daadw-erkelijk geheel kunnen stoppen of juist versnellenmet een fotonische bandkloof. Het ligt voor dehand dat de potentiële mogelijkheden van de band-kloof veel groter zijn, als de bandkloof in de tijdgecontroleerd veranderd kan worden. De band-kloof van een kristal kan geschakeld worden doorbijvoorbeeld de brekingsindex van één van de com-ponenten te wijzigen. Voor de halfgeleidermateri-alen die voldoende hoge brekingsindex hebben omeen fotonische bandkloof te realiseren, blijkt dat debrekingsindex tijdelijk en ultrasnel verminderd kanworden door met een lichtpuls elektronen en gatenin de halfgeleider aan te slaan. Deze vrije ladings-dragers verlagen de brekingsindex. Met praktischbeschikbare korte en intense laserpulsen kan debrekingsindex voldoende veranderd worden om debandkloof sterk van kleur te laten verschuiven.Men zou daarmee bijvoorbeeld een aangeslagennatrium atoom in een kristal met een bandkloofvoor het oranje licht passend bij natrium, opeensmet de schakelpuls tot spontane emissie kunnenlaten overgaan. Hierbij zorgt de schakelpuls ervoordat de bandkloof ineens niet meer oranje licht ver-ARAGO FOCUS10Figuur 3: Elektronen-microscopie-beelden van een fotonisch kristal van (a) polystyreenbolletjes in lucht (synthetischopaal) en (b) luchtbollen in titaanwit. Het drie-dimensionale karakter van  de stapeling is duidelijk zichtbaar in (a).Schaalbalken zijn in beide figuren 2um.biedt, maar blauwere kleuren (zie figuur 4). Zo kunje dus een foton op afroep krijgen. Essentieel is datde kleur van de schakelpuls niet gelijk hoeft te zijnaan die van de emissiebron. Anders zou deschakelpuls het kristal immers niet eens binnenkunnen, omdat de bandkloof voor totale reflectiezou zorgen!  Met deze methode kun je op fem-toseconde tijdsschaal spontane emissie opeens `aan'of `uit' zetten, licht gedurende een controleerbaretijd opslaan in trilholtes, of nano-lasers ultrasnelschakelen. Wil je mee doen met het bouwen vanzulke experimenten? Informeer bij COPS naar deafstudeermogelijkheden!AUGUSTUS 2003 11Figuur 4: Versnelling van spontane emissie ten opzichtevan vacuum in een fotonisch bandkloof kristal als func-tie van genormeerde optische frequentie (verhoudingvan roosterafstand a tot de golflengte  ) . Voor frequen-ties in de bandkloof (grijze/zwarte blokken op de x-asbij a/ ~0.8) is emissie totaal stop gezet. Een lichtbronmet overgangsenergie bij a/ =0.82 zou voor het schake-len niet kunnen uitzenden, en na de optischeschakelpuls opeens zo'n zes keer sneller vervallen dan invacüum.

Dutch

http://doc.utwente.nl/82634/1/Koenderink03fotonische.pdf

Fotonische kristallen: houdgreep op maat voor lichtbronnen

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

NARCIS

University of Twente Research Information