انقلاب در عرصه اپتیک

انقلاب در عرصه اپتیک

بسياري از انقلاباتيکه در عرصه تکنولوژي صورت گرفته است به علت عميق شدن بر خصوصيات مواد و کشف ويژگيهاي تازه است. به اين ترتيب انسان از عصر سنگ پا به عصر آهن مي گذارد و از زمين موادي را استخراج مي کند که خصوصيات مورد نظر او را برآورده کند. مهندسي در عصر حاضر يک گام به جلو رفته است و بر اساس مواد موجود در مورد توليد موادي با يک سري خصوصيات ويژهبه بحث مي پردازد. تحول در عرصه مواد مصنوعي در گذشته براي رسيدن به يک سري خصوصيات مکانيکي دلخواه سبب ايجاد شاخه هايي همچون متالورژي، سراميک و پلاستيک شده است.در قرن بيستم کنترل خصوصيات الکتريکي مواد به پيشرفت علم فيزيک نيمه هادي منجر شد.با استفاده از اين دانش مي توان خصوصيات رسانندگي مواد را به هرگونه اي طراحي کرد که مهمترين تحول در اين زمينه ترانزيستور مي باشد.بر اساس آلياژها و سراميکهاي جديد دانشمندان موفق به اختراع ابرهادي هايي با مشخصه هاي دمايي مطلوب شدند. اما در دهه هاي گذشته انگيزه ديگري سبب ايجاد موضوعات جديدي شد. اين انگيزه کنترل خصوصيات اپتيکي مواد بود. اگر بتوان ماده اي را به گونه اي مهندسي کرد که اجازه عبور نور را در جهت و يا فرکانس خاصي بدهد و در عين حال بتواند نور را در محدوده فضايي خاصي نگه دارد به تکنولوژي جديدي دست يافته ايم. اين موضوع تنها در مورد فيبرهاي نوري که نور را در خود هدايت مي کنند به تنهاييمي تواند سبب تحولات زيادي در عرصه مخابرات شود. ليزرها، کامپيوترهاي پر سرعت و اسپکتروسکوپي چند مثال ديگر در اين زمينه است.

اولين سوال در اين زمينه اين است که چه ماده اي اين خاصيت را دارد؟ براي پاسخ به اين سوال به صورت مشابه کنترل الکترونيکي مواد را در نظر مي گيريم. کريستال در حقيقت چينش پريوديکي از اتمها يا مولکولهاست. اگر ساختاري کوچک از اتمها يا مولکولها به صورت فضايي تکرار شود شبکه کريستالي شکل مي گيرد. کريستال به اين ترتيب داراي پتانسيل متناوبي در انتشار الکترون از داخل خود است و هندسه آن نوع هدايت الکترون را از داخلش متاثر مي کند. در حقيقت شبکه کريستالي شکافي را در باند انرژي ساختار باعث مي شود و مانع انتشار الکترونها با انرژيهاي خاصي مي شود.اگر پتانسيل شبکه به قدر کافي باشد از انتشار الکترون در هر راستايي جلوگيري مي کند و يک شکاف کامل بوجود مي آيد. مثال مشهور اين مساله مواد نيمه هادي هستند که داراي يک شکاف در بين لايه هاي هدايت و انرژي مي باشند و در اين حالتالکترونها مجاز به قرار گرفتن در هر سطح انرژي نيستند.

در حالت اپتيکي به طور مشابه کريستالهاي فوتوني وجود دارند که در آنها پتانسيل پريوديک به علت شبکه ماکروسکوپي پريوديکي از دي الکتريکها به جاي اتمها بوجود آمده است.اگر ضرايب دي الکتريک مواد در ساختار کريستالي به اندازه کافي متفاوت باشند و جذب نور توسط ماده نيز حداقل باشد در انتشار نور پديده اي مشابه با حرکت الکترون در نيمه هادي اتفاق مي افتد.به اين ترتيب کريستالهاي فوتوني روشي براي کنترل و تغيير پارامترهاي انتشار نور به شمار مي آيند[1].  

 شکاف باند فوتوني[1] : يک کريستال فوتوني داراي باند فرکانسي غير مجازي است که در آن انتشار امواج الکترومغناطيسي در جهت خاصي ممکن نيست.به باند فرکانسي مزبور شکاف باند فوتوني گفته مي شود که ويژگياساسي اين ساختارها به شمارمي آيد.  

 شکاف باند کامل[2] : در صورتي که ساختار کريستالي در شکاف باند خود از انتشار نور در تمام جهات جلوگيري کند شکاف باند کامل بوجود مي آيد. [1]


[1] PBG:Photonic Band Gap

[2] Complete Band Gap

khatibimoghadam.blogfa.com