Диссертация (1102884), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В экспериментенаблюдается относительное ослабление поглощённой моды по сравнению спрошедшей, вплоть до −10 = 10−6 [11]. Эффект Боррманна наблюдался нетолько в рентгеновской оптике, но также при дифракции нейтронов [20].Оптический аналог данного эффекта наблюдался в фотонных кристаллах[5]. При этом поле падающей волны может быть сконцентрировано в одномиз слоёв ФК. Предсказан также обратный эффект Боррманна для фотонных кристаллов [21]: возможна концентрация поля падающей волны как водном, так и в другом типе слоёв ФК при различных условиях.12Другим интересным эффектом является маятниковый эффект[22]. По своей природе он очень близок к эффекту Боррманна: тем жеобразом формируются две волновые моды в кристалле, однако теперь модулируется не поглощение среды, а показатель преломления, благодаря чему у каждой моды будет своя фазовая скорость.
В результате моды имеютблизкие волновые вектора, и между ними происходят биения амплитуды,по математическому описанию аналогичные биениям в системе связанныхмаятников, что и дало название эффекту. При распространении вдоль кристалла происходит периодическая перекачка энергии между двумя модами.Если одна из мод не успеет поглотиться вследствие эффекта Боррманна,то на выходе из кристалла, в зависимости от фазы биения, возможна какполная перекачка энергии в одну из дифрагировавших волн, так и любоесоотношение интенсивностей между ними. Данный эффект наблюдался вСВЧ-диапазоне [23] и в видимом диапазоне в фотонных кристаллах наоснове голографических фотополимеров [24].
Ранее эффект был численно смоделирован в двумерном фотонном кристалле [6] (рис. 1.2 б,в). Этотчисленный расчёт хорошо иллюстрирует природу эффекта: видна перекачка энергии между прошедшим и дифрагировавшим лучами, и в том случае, когда половина периода перекачки равна длине периодической среды,имеет место полная перекачка энергии в дифрагировавший луч. Авторыстатьи [6] называют это следствие маятникового эффекта "отрицательнымпреломлением"и говорят таким образом о фотонном кристалле как о средес отрицательным эффективным показателем преломления.Рассмотрение эффектов рентгеновской оптики в оптическом диапазоне является перспективным благодаря следующим преимуществам:1.
Большие величины показателей преломления и большойих контраст в фотонных кристаллах. Типичные показатели преломлениярентгеновского диапазона отличаются от единицы на 10−6 ...10−5 [4], а воптическом диапазоне показатели преломления можно варьировать в существенно более широких пределах, до 101 .2.
Мощные и когерентные источники излучения. Несмотря нато, что источники рентгеновского излучения существуют более 100 лет,их мощность долгое время оставалась невысока. Напрямую получить когерентное рентгеновское излучение можно при помощи лазеров на свободныхэлектронах. Технология их работы достаточно сложна и требует мощногоускорителя электронов [25, 26]. Первый лазер на свободных электронах был13создан в 1977 году на основе линейного ускорителя электронов в Стэнфордском университете [27] и работал в среднем инфракрасном диапазоне. Первый лазер на свободных электронах рентгеновского диапазона был созданв той же лаборатории в 2009 году [28].
На данный момент в мире существуют считанные единицы рентгеновских лазеров на свободных электронах, иэто весьма громоздкие и дорогие установки: как правило, ускорители имеют километровые размеры: например, Стэнфордский линейный ускорительимеет длину 2 км.Возможно создание компактных рентгеновских лазеров [29], в которых ускоритель электронов заменяется на более простой. Используются иоптические методы ускорения электронов. Также можно получать рентгеновское излучение непрямыми методами, например, генерацией высокихгармоник [30], однако на данный момент такое оборудование является уникальным и не предназначено для использования в качестве готового инструмента.Таким образом, по состоянию на 2014 год, источники рентгеновскоголазерного излучения - достаточно уникальное, сложное и дорогое оборудование. Эта ситуация не сопоставима с гигантским разнообразием выборалазерных систем оптического диапазона.3.
Управление свойствами вещества. В рентгеновской оптике используются природные либо искусственные кристаллы, состоящие из атомов вещества. Свойства атомов определяются лишь природой и как-либоизменять их свойства не представляется возможным. В оптическом диапазоне элементарные ячейки структур имеют размер порядка микрона иимеется технологическая возможность изготовить искусственно практически любые элементы. Фотонные кристаллы могут быть изготовлены как изобычного вещества, так и из композитных материалов и метаматериалов,что позволяет управлять свойствами материалов в очень широких пределах. Рентгеновская оптика имеет дело чаще всего с природными кристаллами и в случае необходимости изменить какое-либо их свойство требуетсяподобрать подходящий кристалл.
В элементарной ячейке, как правило, находится лишь несколько атомов, и пространство для изменений сужается.В некоторых приложениях, разумеется, используются органические и белковые кристаллы. Периодические структуры в оптике могут быть созданыс более широким набором свойств, где каждая элементарная ячейка можетбыть настроена требуемым образом [31].14Перейдём к детальному описанию распространения света в фотонныхкристаллах.§ 1.2.Свет в периодических средах: фотонные кристаллыФотонные кристаллы - периодические структуры, период которыхблизок к длине волны видимого света. Впервые фотонные кристаллы были рассмотрены в работах Яблоновича [1] и Джона [16] в 1987 году, гдесообщалось о существовании так называемой фотонной запрещенной зоны(ФЗЗ). Первоначально термин относился только к трёхмерным оптическимпериодическим средам (трёхмерные ФК), но затем был распространён и наоптические материалы, имеющие периодическую структуру в одном илиже в двух направлениях (одно- и двумерные ФК).
Одномерные фотонныекристаллы были известны в оптике задолго до введения этого термина иназывались диэлектрическими, или брэгговскими, или распределённымизеркалами [32].Фотонные кристаллы могут встречаться и в природе: естественныеФК присутствуют в чешуйках крыльев бабочек [33] (наиболее исследованый род - Morpho), телах медуз и перьях птиц [34]. Искусственные ФКисследованы значительно более хорошо: как правило, конкретная структура создаётся под прикладную задачу.
Примеры различных ФК приведенына рис. 1.3.(a)1d(б)(г)(д)2d(в)3d(е)Рис. 1.3 : Одно-, дву- и трёхмерные фотонные кристаллы: (а) - интерференционный фильтрDMLP567T [35],(б) - оптическое ФК волокно [36], (в) - искусственный ФК, имеющий структуру опала [37], (г) - одномерный фотоннокристаллический микрорезонатор [38], (д) - участокфотонной интегральной схемы с ФК-волноводом [39] , крыло бабочки Morpho Didius [33]15Так, например, одномерные ФК часто используются в качествепросветляющих интерференционных покрытий, диэлектрических зеркал,фильтров и встречаются в свободной продаже в качестве оптических компонентов [35].
Двумерные ФК используются при изготовлении интегральных оптических схем [39]. Кроме того, широкое применение нашли фотоннокристаллические волокна [36], являющиеся двумерными фотоннымикристаллами с цилиндрической симметрией. Трёхмерные ФК на настоящий момент являются объектами интенсивных исследований, поскольку вних возможно наблюдение полной фотонной запрещенной зоны, например,в инвертированных искусственных опалах. [40].1.2.1.Фотонная запрещенная зонаКратко рассмотрим основные свойства фотонных кристаллов.
Болееподробный обзор можно найти в монографиях [15, 41].Световые волны, отражаясь от периодически расположенных в пространстве элементов фотонного кристалла, интерферируют между собой.В случае деструктивной интерференции в геометрии Брэгга можно наблюдать область частот, для которой распространение света в фотонном кристалле невозможно - фотонную запрещённую зону (ФЗЗ).Рассмотрим простейший одномерный фотонный кристалл: одномерную периодическую среду, состоящую из чередующихся слоев c толщинами1 , 2 , и показателями преломления 1 , 2 , соответственно.
Пусть на фотонный кристалл падает плоская монохроматическая волна с частотой ,длиной волны . Деструктивная интерференция от двух границ каждого слоя будет наблюдаться для длины волны 0 = 1 1 /4 = 2 2 /4 и внекотором диапазоне длин волн около неё, а также для волн с кратнымичастотами. В случае полубесконечного одномерного фотонного кристаллав нём запрещено распространение света с длиной волны 0 и соответствующей частотой 0 , которые являются центром запрещённой зоны, а такжедиапазона частот, лежащего в его окрестности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
