Superhranoly

Marek Jasanský, 13. června 2005

Všichni jste jistě slyšeli o Isaacu Newtonovi a jeho pokusu se skleněným hranolemHranol – optické zařízení využívané k rozkladu světla na jednotlivé spektrální barvy pomocí lomu na stěnách hranolu. Úhel lomu závisí na vlnové délce světla a tím se různé barvy lámou různě. Základna hranolu se používá zpravidla trojúhelníková a lom probíhá na dvou bočních stěnách., kterým nechal procházet denní světlo. HranolHranol – optické zařízení využívané k rozkladu světla na jednotlivé spektrální barvy pomocí lomu na stěnách hranolu. Úhel lomu závisí na vlnové délce světla a tím se různé barvy lámou různě. Základna hranolu se používá zpravidla trojúhelníková a lom probíhá na dvou bočních stěnách. lámal světlo o různých vlnových délkách různě, tím tyto délky oddělil od sebe a na stínítku za hranolem se tak objevila „duha“ – světelné spektrum. Později se k oddělení různých světelných složek začala používat ohybová mřížkaOhybová mřížka – soustava paralelních vrypů na odrazném nebo propustném podkladu. Světlo z jednotlivých vrypů vzájemně interferuje a ohýbá se. Výsledkem je odraz nebo průchod světla jen v určitých směrech, které se nazývají spektrální řády. Tyto směry jsou závislé na vlnové délvce světla a proto se ve směru daného řádu zobrazí spektrum použitého světla., která láme světlo přibližně desetkrát více než skleněný hranol. Nyní vědci zkoumají takzvané superhranoly – součástky umožňující lámat světlo dokonce stokrát více, než skleněné hranoly.

Fotonické krystaly

Fotonický krystalFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln. je materiál vykazující periodické změny indexu lomuIndex lomu – podíl rychlosti šíření světla ve vakuu a v daném prostředí. světla v jednom nebo více směrech. To zní možná příliš komplikovaně, podívejme se tedy radši na následující obrázek. Různé barvy znázorňují rozdílné indexy lomu. V levé krychli se index lomu mění periodicky pouze v jednom směru, mluvíme proto o tzv. jednorozměrném fotonickém krystalu. V krychli uprostřed se index periodicky mění ve dvou a v krychli napravo dokonce ve třech směrech, jedná se tedy o dvou, resp. třírozměrný krystal.

Fotonické krystaly. Zdroj: T. Prasad, Rice University, USA.

Světlo určitých vlnových délek se fotonickým krystalemFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln. šíří výrazně jinak než krystalem obyčejným. Směr pohybu světla vycházejícího z běžného hranoluHranol – optické zařízení využívané k rozkladu světla na jednotlivé spektrální barvy pomocí lomu na stěnách hranolu. Úhel lomu závisí na vlnové délce světla a tím se různé barvy lámou různě. Základna hranolu se používá zpravidla trojúhelníková a lom probíhá na dvou bočních stěnách. závisí na vlnové délce světla a na indexu lomu hranoluHranol – optické zařízení využívané k rozkladu světla na jednotlivé spektrální barvy pomocí lomu na stěnách hranolu. Úhel lomu závisí na vlnové délce světla a tím se různé barvy lámou různě. Základna hranolu se používá zpravidla trojúhelníková a lom probíhá na dvou bočních stěnách.. Tato závislost je poměrně malá a úhel, pod kterým světlo vychází, můžeme spočítat ze Snellova zákonu lomuSnellův zákon lomu – vlnění se na rozhraní láme tak, že podíl sinu úhlů odklonu paprsků od kolmice je roven podílu rychlostí šíření v daném prostředí: sin α / sin β = v_α/v_β. Uvnitř fotonického krystaluFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln. se světlo nešíří tak jednoduše, láme se několikrát, a úhel, pod kterým paprsek z krystalu vychází, může být mnohem větší než u běžného hranolu.

Jednoduchý nákres fotonického krystaluFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln.. Světlo do krystalu
přichází z boku, nikoliv shora. Zdroj: Mesophotonics Ltd., UK.

Superhranoly

Fotonické krystalyFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln. mají velké množství užitečných optických vlastností. Schopnost lámat světlo mnohem víc než běžné skleněné hranolyHranol – optické zařízení využívané k rozkladu světla na jednotlivé spektrální barvy pomocí lomu na stěnách hranolu. Úhel lomu závisí na vlnové délce světla a tím se různé barvy lámou různě. Základna hranolu se používá zpravidla trojúhelníková a lom probíhá na dvou bočních stěnách. je jednou z nich. Vědci z University of Southampton a ze společnosti Mesophotonics Ltd. nedávno předvedli funkční superhranol. Tento hranol byl vyrobený běžnou křemíkovou mikrotechnologií. Ve vrstvě z nitridu křemíku byly vytvořeny díry o průměru 160 nm vzdálené od sebe 310 nm v jednom a 465 nm v druhém směru. Touto strukturou může projít pouze světlo některých vlnových délek, jedná se tedy o pásmovou propustPásmová propust – termín používaný v elektronice pro součástky schopné propouštět pouze některé složky frekvenčního spektra elektromagnetické vlny. Například pásmová propust o dolní mezní vlnové délce 500 nm a horní mezní vlnové délce 600 nm propustí jen elektromagnetické záření z tohoto intervalu.. Pro světlo o vlnových délkách blízkých mezním vlnovým délkám pásmové propusti se rychle mění index lomu superhranolu v závislosti na vlnové délce světla a na směru paprsků dopadajících na povrch struktury.

Superhranol. Zdroj: Southhampton University, UK.

Vědci měřili lom světelného paprsku procházejícího fotonickým krystalemFotonický krystal – periodická dielektrická struktura, která v určitém kmitočtovém pásmu zabraňuje vniknutí elektromagnetických vln. silným 186 μm. Pokud se vlnová délka světla změnila o 1 nm, úhel lomu se změnil o 1°, to je desetkrát víc než při použití běžné ohybové mřížky. Natáčení povrchu krystalu vůči vstupujícímu paprsku úhel lomu ještě zesilovalo.

Využití superhranolů

Schopnost dobře odlišit blízké vlnové délky světla na součástkách malých rozměrů bude možné využít například v miniaturních multiplexorech. Multiplexor je součástka umožňující kombinovat několik různých informací do jednoho datového toku. Pokud jako nosič informace budeme uvažovat světlo, multiplexor nám z paprsků různých vlnových délek (každý paprsek nese jinou informaci) složí paprsek jeden. Demultiplexor naopak tento paprsek rozdělí zpět na paprsky o různých vlnových délkách, podobně jako skleněný hranol rozděluje bílé světlo na světelné spektrum.

Miniaturní multiplexory vyrobené ze superhranolů v budoucnu najdeme třeba v optických čipech. O těch se můžete dočíst v kapitole Křemíkový laser.

Bonus: Animace „Hranol“

Hranol. V animaci sledujete paprsek, který přichází na levou hranu hranolu pod postupně se měnícím úhlem. Počítán je lom i veškeré vnitřní odrazy. V animaci vidíte výsledný obrazec způsobený rozkladem světla při lomu a vícečetnými odrazy. Zdroj: University of California, Irvine, 2003

Odkazy