Автор: Пользователь скрыл имя, 18 Мая 2015 в 22:11, курсовая работа
Цель работы: теоретическое исследование фотонных кристаллов.
Для достижения цели необходимо:
1) Рассмотреть основные свойства и применение фотонных кристаллов.
2) Изучить изготовление фотонных кристаллов.
Введение………………………………………………………………….………..3
Глава 1. Общие сведения и классификация фотонных кристаллов…………..5
Фотонные кристаллы………………………………………………………5
Классификация фотонных кристаллов……………………………………6
Глава 2. Теория фотонных запрещенных зон. Опалы...………………….........10
2.1. Природа запрещенных зон…………………………………………….........10
2.2. Ширина запрещенной зоны…………………………………………...........11
2.3. Опалы………………………………………………………………………...13
Глава 3. Изготовление фотонных кристаллов…………………………............15
3.1. Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных кристаллов………………………………………………………………………..15
3.2. Методы травления…………………………………………………..............16
3.3. Голографические методы…………………………………………………...17
3.4. Другие методы создания фотонных кристаллов…………………….........18
Глава 4. Фотонные кристаллы в природе. Применение. Дефекты……...........19
4.1. Фотонные кристаллы в природе……………………………………………19
4.2. Дефекты в фотонных кристаллах…………………………………………20
4.3. Применение………………………………………………………………….21
Заключение……………………………………………………………………….23
Список использованной литературы …………………………………………..24
Рисунок 6. Бабочка со структурами фотонного кристалла на поверхности крыльев.
Живущие в жарком климате бабочки обладают переливчатым рисунком крыльев (рис. 6.), а структура фотонного кристалла на поверхности, как оказалось, снижает поглощение света и, следовательно, разогрев крыльев. Эволюция бабочек, живущих в более холодных климатических поясах, привела к исчезновению структуры фотонного кристалла, что сделало их крылья коричневыми, но дало бабочкам новый жизненно необходимый источник тепла за счет поглощения дополнительной энергии солнечного света. Ученые полагают, что такое влияние фотонно - кристаллической структуры поверхности на тепловой баланс бабочек можно было бы использовать и в таких термозащитных системах, как космические скафандры или специальные костюмы для работы в пустынях[5].
4.2. Дефекты в фотонных кристаллах.
Любая неоднородность в фотонном кристалле называется дефектом фотонного кристалла. В таких областях часто сосредотачивается электромагнитное поле, что используется в микрорезонаторах и волноводах построенных на основе фотонных кристаллов.
Для прохождения луча формируется линейный дефект структуры (например, убирается один ряд стержней). Для поворота луча на 90 градусов формируют два линейных дефекта, соединенных под прямым углом. Физически это сводится к удалению ряда стержней на предполагаемом пути следования луча, - в периодической двумерной структуре создают прямоугольный канал, выходу излучения из которого препятствует запрещенная зона.
Теоретически прохождению луча препятствую отражения, однако фактически эффективность передачи может быть близка к 100%. Радиус поворота имеет порядок 2а, (где а – период решетки), что меньше длины волны луча. Такой поворот можно рассматривать как явление, аналогичное одномерному резонансному туннельному эффекту в квантовой механике.
Создавая точечные дефекты (или резонансные полости) в кристалле, можно захватить фотоны в “ловушки” запрещенной зоны (локализовать фотоны в полостях дефекта) и, соответственно, на их основе можно создать устройства хранения и обработки информации нового типа. Резонансная полость действует следующим образом. Белый свет, вошедший с торца волновода, распространяется вдоль него. Волна с резонансной частотой захватывается между двумя центральными отверстиями (благодаря сформированной в структуре запрещенной зоне) и многократно отражается назад-вперед между этими отверстиями (внутреннее отражение из-за зеркального эффекта в резонансной полости). Оптические колебания на резонансной частоте усиливаются за счет энергии поступающего света аналогично тому, как это происходит, например, в оптических усилителях Фабри-Перо. Другие же спектральные компоненты экспоненциально угасают (из-за запрещенной зоны). При достаточном усилении свет резонансной частоты вырывается из резонансной полости и выходит из торца волновода. Конструкция аналогична заряженному проводнику, окруженному со всех сторон диэлектриком.
Однако захват излучения в фотонных кристаллах является принципиально новым явлением, так как происходит без процесса многократного поглощения и испускания фотонов. Оно здесь попросту невозможно в силу определенных соотношений между параметрами фотонных и электронных энергетических зон. Поэтому перенос излучения при его пленении в фотонном кристалле носит упорядоченный характер, существенно отличаясь от известного ранее хаотического движения в газовой среде[12].
4.3. Применение.
Распределённый брэгговский отражатель является уже широко используемым и известным примером одномерного фотонного кристалла.
С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах, и предполагается, что:
Заключение
В данной курсовой работе было получено представление о фотонных кристаллах и сделаны выводы – что, фотонные кристаллы предоставляют качественно новые возможности управления световыми потоками благодаря наличию полной запрещенной зоны в плотности электромагнитных состояний в заданной области частот. Такие возможности уже были продемонстрированы для микроволновой области, но теория предсказывает фотонные кристаллы, обладающие полной запрещенной зоной в инфракрасном и даже в видимом диапазонах спектра. И хотя трудности в создании фотонных кристаллов несоизмеримо возрастают по мере увеличения частоты запрещенной зоны, можно надеяться, что интеллектуальные и материальные средства, брошенные на решение этой задачи, делают решение проблемы вопросом времени.
Список использованной литературы