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研究者窺見光子晶體內部

雖然今日的智慧手機、平板與其他小型電子裝置依賴的是電氣資料連接,不過在未來,它們可能使用光連接以變得更快與更小。光子晶體(Photonic crystals)對此目的而言是理想的工具,因為它們能在奈米尺度上引導與曲折光線。迄今,研究者未能一窺光子晶體內部以測量光強度(light intensity)如何分佈。現在在一項新研究中,來自荷蘭 Twente 大學 MESA+ Institute 的研究團隊已開發出一種方法,能測光在量光子晶體內的強度分佈。

這項發表在最近一期《Optics Express》上的研究,也許引發對光子晶體的新洞見,能協助新應用的發展。

如研究者的解釋,光子晶體是具有複雜三維結構的材料,其對光的操縱類似半導體控制電子的方式。光子晶體具有週期性結構,其長度尺度近似光的波長。在自然界中可找到的光子晶體例子是寶石蛋白石(gem opal),它由微小的二氧化矽球狀物(silicate spheres)排列而成的規律陣列所組成,排列次序如同晶格中的原子,不過長度尺度卻比光子晶體內的原子大數千倍。

此研究領域的主要目標是製造出與光交互作用的強烈成度足以達到「光子能隙(photonic band gap)」的光子晶體。光子能隙是在某一範圍內被禁止朝任何方向傳播的色光。能隙可起因於結晶體中的失序(disorder),因為失序導致局部態(localized states),那有效使光陷入籠中。此類型的控制能使研究者駕馭光束,並引領它們繞行微小的光晶片。

搞清楚光子晶體內的電磁場分佈對於控制光線很有幫助。到目前為止,測繪局部場的唯一光學方法是近場掃描式光學顯微術掃描晶體表面。然而,這種技術有幾項缺點,因為它無法探測結晶體內部,不過這裡所呈現新方法卻可以。

「我們首度證明,如何看透光子晶體內部,」 Twente 大學的第一作者 Thomas Denis 表示。「利用一種令人驚訝的簡單方法,我們能測繪一個光子晶體內個別場分量(field component)的絕對強度。這樣一種方法對新穎光子晶體裝置(例如電腦晶片上的快速光互連)的設計而言極為重要。」

為了測繪光子晶體內部不同地點的電磁場強度,研究者設置一項實驗,在其中,他們將一個光子晶體置於二面鋁鏡間。在這個共振腔內,光在二面鏡子間來回反射。因為光是一種波,只有波長與共振腔長度相符的波能夠累積。換言之,只有特定顏色能存在於腔內。

在測量晶體的共振色(resonating color),或頻率,研究者接著研究,當他們將光子晶體內,一個懸吊在尼龍繩上的 2mm 珠子降低時,頻率會有何變化。這顆珠子散射鄰近電磁波,以一種與該地點光強度成正比的方式,改變了晶體的頻率。當把珠子移動到不同地點時測量頻率偏移,研究者從而能測繪出光子晶體內部各處的電磁場強度。

「例如,在上面這張圖內,共振腔限制光的累積成藍光,」Denis 說。「把小珠置於光子晶體內時,這導致散射,那改變在腔內共振的光色。光波得要繞個小路繞過這個散射物體。因此,光共振之處的顏色改變了,那能被測量。在圖中,它從綠色到紅色的改變端視珠子的位置而定。藉由將珠子移動到腔內各處,這讓我們能透過測量所造成的色偏移,測繪出所有地點的光強度。」

研究者也解釋光子晶體內的電場有六個分量(components),而這六個分量中的每一個,可藉由選擇適當材質、形狀與方向(orientation)的珠子,僅使某個分量能影響其頻率偏移,從而個別測得各分量。

在未來,研究者也想要進行修改過的實驗,例如將珠子置於當作繩子的奈米碳管上。原子力顯微鏡能控制奈米管的位置並提供晶體內高空間解析度的場。最終,測繪光子晶體內部的能力,將會為這些裝置在未來應用中的使用,提供一種可貴的工具。

資料來源:Researchers glimpse the inside of a photonic crystal. Phys.org [October 2, 2012]

轉載自 only perception


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