بلورهای فوتونی

به هر ساختاری که ضریب شکست آن به طور متناوب تغییر کند یک بلور فوتونیکی می‌گویند.اگر این تکرار در یک بعد باشد به بلور تشکیل شده، بلورهای فوتونی یک بعدی می گوییم. تکرار ساختار متناوب در دو و سه بعد نیز بلورهای فوتونی دو و سه بعدی را به وجود خواهد آورد. این ساختارها در واقع دوگان بلورهای نیمه هادی هستند. در واقع این موضوع از مشابهت معادله شرودینگر در فیزیک حالت جامد و معادله هلمهولتز در میدان ناشی می‌شود. ضریب شکست همان نقشی را در معادله هلمهولتز بازی می‌کند که پتانسیل الکتریکی در معادله شرودینگر. بنا براین عملکرد بلورهای فوتونی (ساختارهای با ضریب شکست متناوب) در برابر فوتون‌ها مشابه عملکرد بلورهای نیمه هادی (ساختارهای با پتانسیل الکتریکی متناوب)در برابر الکترون‌ها است.

بلورهای فوتونی ساختار های متناوب در اندازه نانو هستند و طراحی شده اند تا حرکت فوتون ها را تحت تاثیرقراد دهند، همانند کاری که بلورهای نیمرسانا با الکترون ها انجام می دهند. بلورهای فوتونی در اشکال و خواص مختلف وجود دارند و از 100 سال پیش مطالعه بر روی آن ها شروع شده است. بلورهای فوتونی ساختار های نانومتری متناوبی از جنس دی الکتریک و یا فلز-دی الکتریک هستند که مسیر حرکت موج الکترومغناطیسی را تحت تاثیر قرار می دهند. به همان روشی که پتانسیل های متناوب در نیمرسانا هاحرکت الکترون ها را با ایجاد نوار های انرژی ممنوعه و مجاز تحت تاثیر قرار می دهند. اساس کار بلورهای فوتونی بر اساس تغییر درونی ضریب شکست به صورت کم و زیاد در درون بلور می باشد. انتشار فوتون در داخل این ساختار ها به طول موج آنها بستگی دارد. طول موج هایی از نور که اجازه انتشار پیدا می کنند مد نامیده می شوند وگروهی از مدهای انتشار یافته تشکیل باند (نوار) می دهند. باندهای غیر مجاز بلورهای فوتونی گاف نواری نامیده می شوند. این اتفاق منجر به پدیده های آشنایی مانند گسیل خود به خودی وآینه های با بازتاب بالای تک جهتی و موجبرهای با اتلا ف پایین می شود. از آنجایی که پدیده ی غالب پراش می باشد، باید یک هم خوانی بین طول موج انتشار یافته و ابعاد بلور فوتونی وجود داشته باشد، که این ابعاد معمولا به صورت نصف طول موج انتشاری می باشد. به عنوان مثال این محدوده بین 400 تا 700 نانومتر برای بلوری است که در محدوده مرئی کار می کند. این خاصیت استفاده و ساخت بلورهای فوتونی را تا حدودی سخت و پرهزینه کرده است.

بلورهای فوتونی ادواتی هستند که جریان نور را کنترل و دستکاری می کنند. بلورهای فوتونی یک بعدی از گذشته به عنوان لایه های نازک اپتیکی کاربرد فراوانی داشته اند. ازجمله بازتابنده های بالا و پایین در روی لنزها و آینه ها تا رنگ هایی با قابلیت تعویض رنگ و همچنین مرکب ها. بلورهای فوتونی مرتبه بالاتر برای کاربردهای دیگر و همچنین تحقیقات بسیار مورد استفاده قرار گرفتند. همچنین بلورهای فوتونی دو بعدی کاربردهای تجاری فراوانی پیدا کردند. فیبرهای بلور فوتونی از جمله این کاربردها می باشد، این فیبرها از یک ساختار میکرونی فوق العاده برای محدود کردن نور استفاده می کنند که با فیبرهای معمولی بسیار تفاوت دارد. فیبرهای سه بعدی هنوز کاربردتجاری پیدا نکرده اند، ولی دارای مزیت های بیشتری هستند که می توانند کاربرد های برتری پیدا کنند، ازجمله کامپیوتر های اپتیکی.