بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، طیف تراگسیل نانو بلور فوتونی یک بعدی با بهره گیری از روش ماتریس انتقال برای هر دو نوع بلور فوتونی شامل ابررسانای دمای بالا و پایین مطالعه شده است. نشان دادیم که گاف باندهای فوتونی به تغییرات ضخامت لایه های دی الکتریک و نوع ابررسانا می باشند. نتایج نشان داد که در نانو ساختارهای لایه ای شامل ابررسانا با کاهش ضخامت لایه ابررسانا می توان فرکانس قطع را به سمت فرکانس های کمتر جابجا کرد. اما با حضور ابررساناهای دمای بالا در بلورهای فوتونی در مقایسه با ابررساناهای دمای پایین فرکانس های قطع پایینتری حاصل می شود.
واژگان کلیدی: نانوبلور فوتونی، ابررسانا، فرکانس قطع
مقدمه
اخیراً بلورهای فوتونی به عنوان ساختارهای دیالکتریک متناوب توجه محققین را به طور قابل توجهی جلب کرده است. خاصیت اصلی این بلورها گاف باندهای فوتونی آن است، به طوری که موجهای الکترومغناطیسی که فرکانس آنها در داخل گاف باند قرار می گیرند مجاز به انتشار نیستند و میدان الکترومغناطیسی آنها میرا هستند . - Joannopoulos et al, 1995 - از آنجاییکه گافباند فوتونی مانع انتشار یک محدودهی خاصی از مدها میشود، نور با طول موجهای متناظر نمیتواند در داخل بلور فوتونی با یک ساختار کامل حضور داشته باشد و بسته به نوع ساختار - تعدادلایهها، ضخامت لایهها و نوع مواد مورد استفاده در لایهها - باند ممنوعهای که ساختار بلور فوتونی از خود نشان میدهد متفاوت خواهد بود. از جمله کاربردهای ساختارهای بلورهای فوتونی با یک آرایش خاص در آینههای نوری میباشد که در یک ناحیهی خاص فرکانس، میتواند امواج الکترومغناطیس را از صفر تا صد درصد منعکس نماید.
بازتابندهها یا به عبارتی آینهها به دو نوع تقسیم میگردند .نوع معمول و متداول که قدیمیتر نیز میباشد، آینههای فلزی است؛ نوع دیگر کهجدیداً و در چند دههی اخیر طراحی شده است آینههای دیالکتریک یا آینههای براگ هستند. آینههای فلزی، نور را در محدودهی وسیعی از فرکانسهای فرودی بازتاب میکند و این بازتابش در هر زاویهی فرودی دیده میشود به عبارتی این آینهها بازتاب کنندهی تمامسویه امواج الکترومغناطیس هستند، ولی به علت جذب شدیدی که این نوع ساختارها دارند، اتلاف انرژی زیادی خواهد داشت. این اتلاف بیشتر در فرکانسهای مرئی - اپتیکی - و مادون قرمز دیده میشود - . - Born and Wolf, 1975
در اکثر موارد برای کم کردن اتلاف انرژی از آینههای دیالکتریک با ساختارهای چندین لایه - بلور فوتونی - استفاده میشود. آینههای دیالکتریک که از چیدمان تناوبی لایهها ساخته میشود نور را در یک محدودهی باریکی از فرکانسهای فرودی منعکس میکند و این بازتابها در یک زاویهی خاص یا در یک بازهی زاویهای خاص مشاهده میشود.اتلاف نوری کم، بازتاب پذیری بالا و توانایی مکانیکی بالای سیستم در انعکاس از لایهها نسبت به آینههای فلزی از جمله ویژگیها و مزیتهایی است که از آینههای دیالکتریک استفاده نماییم. با انتخاب مناسب پارامترهای موثر از جمله ضخامت لایهها، ضریب شکست لایهها، تعداد تناوب، زاویهی فرودی و ..... میتوان موقعیت و پهنای باند انعکاسی مطلوبی را بدست آورد .
در چند دهه اخیر کنترل سیستم های اپتیکی به عنوان موضوع مهمی مستلزم آگاهی از پاسخ اپتیکی بلور فوتونی و همچنین چگونگی انتشار امواج الکترومغناطیسی در بلور فوتونی میباشد - . - Jonhe, 1987 بر این اساس بنظر می رسد زاویه فرود تاثیر عمده ای بر انتشار امواج الکترومغناطیسی در بلور فوتونی داشته باشد. تبادل سریع اطلاعات به طور غیر مستقیم از طریق امواج الکترومغناطیسی، یکی از پیشرفتها در زمینه فیزیک و مهندسی است. بلورهای فوتونی ترکیبی از لایههای مختلف دی الکتریک هستند که از سلول واحدی تشکیل شدهاند. سلول واحد در بلور فوتون از یک یا چند ماده که از نظر ضریب شکست با هم متفاوت میباشند تشکیل شده است. این سلول واحد در بلور فوتون در یک راستا - بلور فوتونی یک بعدی - ، در دو راستا - بلور فوتون دو بعدی - ، در سه راستا - بلور فوتون سه بعدی - به صورت تناوبی تکرار میشود - Yablonovitch and Gmitter, . 1989 -
مدل نظری و روش ماتریس انتقال
بلور فوتونی یک بعدی متشکل از لایههای ابررسانا - دیالکتریک را در نظر میگیریم - مطابق شکل - 1 که موج الکترومغناطیسی با قطبش میدان الکتریکی TE به طور عمور بر سطح آن می تابد. - Zang, 2014 -
یافته ها و بحث
در این مطالعه نانو بلور فوتونی یک بعدی متشکل از لایههای ابررسانا - دیالکتریک را همانگونه که در شکل1مشخص شده است، در نظر می گیریم و آن را نانو ساختار لایه ای یا نانو بلور فوتونی - S-D - N می نامیم. فرض می کنیم ابررساناهای مورد استفاده در ساختار دارای ضخامت d1 و همچنین دیالکتریکSrF2 دارای ضخامت d2 و ضریب شکست n2=1.438 باشد. ابتدل نانوبلور فوتونی شامل ابررسانای دمای پایین و دی الکتریک را در نظر می گیریم و آن را نانوبلور - LTS - D - N می نامیم و به بررسی طیف تراگسیل در ساختار - LTS - D - N می پردازیم. برای این منظور ساختار لایه ای متشکل از ابررسانای دمای پائین از جنس Al با دمای بحرانیTc=1.18Kو عمق نفوذ لندن 51.5nm را در نظر میگیریم. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود با افزایش ضخامت لایه ی ابررسانا طیف تراگسیلی و همچنین فرکانس قطع به سمت فرکانس های بزرگتر جابجا می شود به طوریکه برای ضخامت های مختلف ابررسانا - d1=15nm, fc=319.5 THz - ، - d1=20nm, fc=365.2 THz - ، - - d1=25nm, fc=398.7 THz
