Buss, Thomas

Denne Ph.D.-afhandling præsenterer metoder til at forbedre den optiske funktionalitet af gennemsigtige ruder ved introduktion af usynlige overfladestrukturer i nano-størrelse, såsom optiske gitre og fotoniske krystaller. På denne måde kan den primære funktionalitet af glasset - gennemsigtighed - forøges med nye egenskaber og omdanner vinduesruder eller glasoverflader på håndholdte elektroniske apparater til multifunktionelle anordninger. Fælles for alle diskuterede eksempler er at optiske gitre og fotoniske krystaller benyttes til at øndre den optiske dispersion, og selektivt modificere retningen af guidet lys, samt at overfære free-space lys til guidede tilstande og omvendt. Dette gæres på en sådan måde, at interaktionen af guidet lys inde i glasset og transmitteret lys gennem glasset minimeres. Den relevante fysiske baggrund for disse processer diskuteres og fire praktiske anordninger, som viser princippet er blevet designet, fabrikeret og analyseret. Først diskuteres en solfanger-metode, baseret på nanoskala gitre, der er præget i en tynd-film, som er deponeret på vinduesruden. Sollys, som er indfladene på et vindue kobles til en optisk bølgeleder i en tyndfilm eller i substratet og ledes ud mod kanten, mens gennemsigtigheden af glasset bevares. Solceller kan sluttes til kanterne for at generere elektricitet. Mere komplekse strukturer end enkelt-periodiske gitre er undersøgt i form af gitre der kan anvendes til en bedre fordeling af dagslyset inde i bygninger, ved at optimere den måde hvormed naturligt sollys skinner gennem vinduerne ind i bygningens lokaler. Det bliver vist, at gitre med uorden i gitterets periode effektivt kan modificere diffraktions-egenskaber, fra skarpe og bølgelængdeafhængige ordner, til en bred fordeling over et stort vinkelområde og med tilstrækkelig blanding til at farveeffekter minimeres og et homogent, blændfrit, hvidt dagslys skinner ind i lokalet. Endnu mere funktionalitet kan opnås, når de optiske effekter kan tunes eller er omkonfigurérbare. Dette undersøges med farvestoflasere, baseret på fotoniske krystaller. Disse lasere kombinerer fotoniske krystal-resonatorer med et gain-medium af farvestofdotterede flydende krystaller, til at fremstille billige, kompakte, optisk pumpede og elektrisk justerbare lasere. Endelig præsenteres et transparent projektions-apparat, som anvender sub-bølgelængde gitre til omdirigering af lys som ledes inde i en bølgeleder. Elektro-optisk udkobling på definerede positioner realiseres ved hjælp af flydende krystaller. Undersøgelsen viser et proof-of-principle for et transparent projektions-display og tillader endvidere et detaljeret studie af interaktionen mellem guidet lys og en spændingsafhængig rotation af flydende krystal-molekyler. Indflydelsen fra TE / TM polarisering undersøges og reaktionstid og tærskelspænding er på samme niveay som eksisterende flydende krystal-displays. Princippet er blevet undersøgt til brug i projektionsskærme, men kan også anvendes til andre applikationer såsom cellemanipulation i lab-on-a-chip systemer og omkonfigurerbare optiske kopler i flerlags fotoniske kredsløb og optiske interconnects.This Ph.D. thesis presents methods for enhancing the optical functionality of transparent glass panes by introduction of invisible nanoscale surface structures, such as gratings and planar photonic cyrstals. In this way the primary functionality of the glass - transparancy - may be enhanced with new properties, turning window glasses or glass surfaces of hand-held electronics into multifunctional devices. Common to all examples discussed, gratings and photonic crystals are used to engineer the optical dispersion and selectively modify the direction of guided light and transfer free-space light into guided modes and vice-versa. This is done in a way such that the interaction of guided light inside the glass and transmitted light through the glass i minimized. The relevant physical background for these processes is discussed and four practical devices which demonstrate the principle have been designed, fabricated and analyzed. First a solar harvesting method, based on nanoscale gratings which are imprinted in a thin-film which is deposited on the window pane is discussed. Free-space light which is incident onto a window is coupled to guided modes in the thin-film or the substrate and guided towards the edge, while transparency of the glass is preserved. Solar cells could be attached to the edges to generate electricity. More complex structures than single-period gratings are investigated in gratings used for daylighting, i.e. optimizing the way how natural sunlight is transmitted through windows into the room. It is shown that gratings with disorder introduced to the period effectively modify the diffraction characteristics from distinct sharp and wavelength dependent orders into a broad distributions over large angular range and with sufficient mixing such that color effects are minimized, thus allowing a homogeneous, glare-free, white-light daylighting into the room. Even more functionality can be achieved when the optical effects are tunable or reconfigurable. This is investigated with photonic crystal dye lasers. These lasers combine a photonic crystal resonator with a dye-doped liquid crystal gain medium for the realization of cheap and compact optically pumped, electrically tunable lasers. Finally, a transparent projection display is presented which uses sub-wavelength gratings for redirection of light guided inside a waveguide and facilitates electro-optic switching by means of liquid crystals. The study presents a working proof-of-principle for a transparent projection display and furthermore allows for a detailed study of the interaction between guided light and the voltage-dependent molecular alignment of liquid crystal molecules. The influence of TE/TM polarization is investigated and switching times and driving voltages are competitive with existing non-projection liquid crystal displays. The principle has been investigated for use in projection displays but may also be applied to other applications such as cell manipulation in lab-on-a-chip systems and reconfigurable optical switches in multilayer photonic circuits and optical interconnects

Online Research Database In Technology

Photonic crystal-adaptive optical devices

http://orbit.dtu.dk/ws/files/77850400/Thesis._1_.PDF

Photonic crystal-adaptive optical devices

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Online Research Database In Technology