Kristal fotonik fleksibel dari metasurface film tipis cair

Kristal fotonik fleksibel dari metasurface film tipis cair
Presentasi skematis deformasi film TLD membentuk kisi cairan optik (biru) karena efek tegangan permukaan yang dipicu oleh interferensi mode optik permukaan (merah). (a) 2-D plasmonic liquid lattice yang dibentuk oleh interferensi dari SPP. (b), (c) Kisi-kisi cair foton yang ditangguhkan dan didukung, masing-masing, dibentuk oleh interferensi dari mode WG slab fotonik. Gain dapat dimasukkan ke dalam struktur yang tersuspensi (c) baik untuk cairan atau membran pendukung dielektrik. Dimensi lateral slot cairan, yang dibatasi oleh dinding dielektrik padat (tidak ditampilkan) adalah dy dan dz. (d) – (f) Kisi cairan optik 1-D yang sesuai dalam slot cairan dengan panjang dz yang diinduksi oleh pasangan (d) SPP pencegah propagasi atau (e) dan (f) mode WG slab slab. Kredit: Penulis.

Kristal fotonik diprediksi menjadi salah satu keajaiban abad ke-21. Pada abad ke-20, pemahaman baru tentang struktur pita elektronik – fisika yang menentukan kapan benda padat melakukan atau berinsulasi – merevolusi dunia. Fisika yang sama, ketika diterapkan pada kristal fotonik, memungkinkan kita untuk mengontrol cahaya dengan cara yang mirip dengan cara kita mengendalikan elektron. Jika kristal fotonik memenuhi janjinya, semua transistor optik yang mengonsumsi sedikit daya dan memungkinkan komputer yang lebih kuat dapat menjadi kenyataan.

Tapi, tujuan itu belum terlihat. Masalahnya adalah salah satu dari kendali. Kami memiliki kontrol yang sangat baik atas pembuatan sirkuit terpadu elektronik, dan semikonduktor dan elektron sangat fleksibel – jika Anda ingin mengubah energi elektron, cukup berikan tegangan.

Mengontrol pembuatan kristal fotonik lebih sulit. Setiap struktur kecil harus dibuat dan direplikasi dan ditempatkan dengan tepat. Setelah dibuat, kristal fotonik tidak berubah, yang membuatnya sangat tidak fleksibel. Demikian juga, energi foton tidak dapat diubah seefisien energi elektron. Hasilnya, jika kristal fotonik adalah masa depan komputasi, kita harus belajar bagaimana membuatnya dengan cara yang memungkinkan mereka untuk dimodifikasi dengan cepat.

Film cairan berdesir sebagai metasurfaces

Dalam makalah Advanced Photonics baru , Shimon Rubin dan Yeshaiahu Fainman dari University of California San Diego telah menunjukkan bagaimana mungkin untuk membuat kristal fotonik fleksibel namun tahan lama dari cairan. Mereka melakukan serangkaian perhitungan untuk memprediksi pembentukan dan kinerja kristal fotonik berdasarkan pemanasan yang sangat lokal dalam film tipis cair .

Cairan umumnya tidak dianggap sebagai pilihan yang bagus untuk kristal fotonik karena cairan tidak memiliki struktur yang tetap. Sifat optik kristal fotonik bergantung pada cahaya yang dapat memantulkan jutaan struktur yang ditempatkan secara tepat. Tapi cairan surut dan mengalir, sehingga struktur cepat tersapu.

Namun, Rubin dan Fainman mencatat bahwa pada antarmuka antara film cair tipis dan padat atau gas, interaksi antara tegangan permukaan cairan dan suhu lokal dapat membuat struktur kecil (misalnya, tumpukan cairan naik untuk membuat bukit kecil) . Namun, tidak diketahui apakah struktur itu cukup signifikan untuk berfungsi sebagai metasurface (sejenis kristal fotonik) dan memodifikasi perambatan cahaya.

Para peneliti menyelidiki beberapa pengaturan film cair yang siap memungkinkan cahaya untuk dipandu (setidaknya sebagian) dalam cairan. Untuk mendapatkan struktur, para peneliti mempertimbangkan bagaimana penyerapan cahaya dapat memanaskan cairan. Dengan menggunakan gelombang cahaya yang saling bersilangan di sudut yang berbeda di dalam film, pola bercak terang dan gelap dibuat-pola ini disebut pola gelombang berdiri. Cairan menyerap energi hanya dari bercak-bercak terang, karenanya, cairan hanya akan memanas di lokasi yang sangat spesifik.

Cairan fleksibel

Para peneliti menggunakan sifat optik dan termal dari cairan tersebut, dikombinasikan dengan persamaan dinamis fluida dan perambatan cahaya untuk menghitung panas yang diserap oleh fluida, dan bagaimana hal itu akan menyebabkannya berubah bentuk secara lokal. Para peneliti menunjukkan bahwa pengaturan berkala bukit dan lembah dalam film cair dapat diperoleh dengan melintasi antara dua dan empat gelombang cahaya. Dua gelombang cahaya menciptakan garis-garis bukit dan lembah, tiga gelombang cahaya menciptakan pengaturan heksagonal bukit dan lembah, sedangkan empat balok cahaya menciptakan pengaturan papan catur. Properti optik kemudian dihitung dari pengaturan ruang ini.

Untuk menunjukkan kegunaan dari metasurface yang diusulkan, para peneliti menghitung ambang laser. Jika media penguatan seperti pewarna ditambahkan ke fluida, deformasi cairan berkala seperti dijelaskan di atas dapat menyebabkan pembentukan resonator, yang mampu mendukung mode penguat. Memodifikasi simetri kristal cair fotonik kemudian memungkinkan kontrol frekuensi dan arah emisi dari mode penguat.

Kristal fotonik cair tampaknya memiliki beberapa sifat yang sangat bagus. Karena cahaya digunakan untuk membuat pola dalam cairan, pola terbentuk secara alami dan tanpa kesalahan. Dan, polanya dapat diubah dengan cepat dengan mengubah sudut antara gelombang cahaya, atau panjang gelombang cahaya yang digunakan untuk membuat pola. Bahkan pola bergerak dapat dibuat dengan memodulasi salah satu gelombang cahaya . Fleksibilitas yang melekat ini harus memungkinkan banyak aplikasi menarik, misalnya, perhitungan dan perawatan kesehatan. Namun, keberhasilan pendekatan ini akan tergantung pada demonstrasi fisik dari konsep dasar.

oleh Chris Lee, SPIE

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *