Cristallo fotonico

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In ottica ed in microfotonica per cristallo fotonico si intende una struttura in cui l'indice di rifrazione ha una modulazione periodica su scale comparabili con la lunghezza d'onda della luce o, più in generale, della radiazione elettromagnetica. Questa modulazione periodica dell'indice di rifrazione dà ai cristalli fotonici proprietà ottiche analoghe alle proprietà di conduzione elettrica dei cristalli. In particolare i cristalli fotonici possono presentare una banda proibita per la luce analoga a quella dei semiconduttori.

Storia dei cristalli fotonici[modifica | modifica sorgente]

I tipi più semplici di cristalli fotonici sono i cosiddetti specchi di Bragg, strutture composte da due o più materiali con indici di rifrazione diversi, disposti su strati alterni. Per la legge di Bragg, queste strutture presentano un intervallo di frequenze per cui la riflettanza è molto elevata. Gli specchi di Bragg furono studiati inizialmente da Lord Rayleigh a fine '800[1] e oggi sono comunemente usati nell'industria ottica per conferire a lenti e filtri le proprietà desiderate[2].

Nel 1987, Eli Yablonovitch e Sajeev John in due articoli distinti, ma pubblicati quasi contemporaneamente su Physical Review Letters[3] [4] proposero la possibilità di realizzare cristalli fotonici non più in una sola dimensione (come negli specchi di Bragg) ma anche in due o tre dimensioni. La prima prova sperimentale dell'esistenza di cristalli fotonici in tre dimensioni (limitatamente alle microonde) fu fornita da Yablonovitch pochi anni dopo[5].

Da allora la ricerca, sia fondamentale, sia applicata sui cristalli fotonici, ha conosciuto un'enorme espansione.

I cristalli fotonici in natura[modifica | modifica sorgente]

Le ali delle farfalle Morpho devono il loro blu ad una microstruttura ad alveare analoga ai cristalli fotonici.

Dopo l'invenzione dei cristalli fotonici sono stati scoperti vari sistemi naturali che devono le proprie proprietà ottiche ad una variazione periodica del proprio indice di rifrazione, e che possono quindi essere definiti come cristalli fotonici naturali. L'esempio più diffuso è l'opale, una pietra sedimentaria composta da microsfere di silice e acqua nella quale, durante la sedimentazione, la silice si impacchetta in una struttura periodica (cubica a facce centrate). La caratteristica opalescenza dei colori è dovuta alla rifrazione della luce nella struttura periodica.

Altri esempi sono stati scoperti nel mondo animale: ad esempio sia il Polychaeta Aphroditidae (comunemente noto come topo di mare) o le farfalle del genere Morpho devono i loro colori a strutture organiche analoghe ai cristalli fotonici[6][7].

Fabbricazione e proprietà[modifica | modifica sorgente]

Cristalli fotonici 1D[modifica | modifica sorgente]

Immagine SEM di uno specchio dielettrico ritagliato da un substrato.

Gli specchi di Bragg erano noti fin dal XIX secolo come cristalli fotonici a una dimensione, ma solo recentemente hanno trovato ampia applicazione sia nella fabbricazione di rivestimento anti riflesso (comuni sia nelle lenti degli occhiali che negli obiettivi fotografici) che nella realizzazione dei cosiddetti specchi dielettrici - noti anche come DBR (Distributed Bragg Reflectors). Infatti, scegliendo con cura la periodicità e l'indice di rifrazione della struttura, è possibile realizzare specchi che hanno un coefficiente di riflessione molto alto in un certo intervallo di lunghezze d'onda.

Le principali applicazioni degli specchi dielettrici sono: i filtri dicroici (che riflettono solo una certa frequenza ma sono trasparenti a tutto il resto dello spettro elettromagnetico), i diodi laser e, più in generale, sono utilizzati come specchi di alta qualità nelle cavità risonanti dei laser.

Le tecniche di fabbricazione dei cristalli fotonici 1D sono molte, e dipendono dalla qualità e dal grado di perfezione necessario. Tra le principali tecniche ricordiamo:

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ J. W. S. Rayleigh, "On the remarkable phenomenon of crystalline reflexion described by Prof. Stokes." Phil. Mag. 26, 256-265. (1888)
  2. ^ CVI Melles Griot Home Page
  3. ^ E. Yablonovitch "Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics", Phys. Rev. Lett., Vol. 58, 2059 (1987) http://prola.aps.org/abstract/PRL/v58/i20/p2059_1
  4. ^ S. John, "Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices", Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987) http://www.physics.utoronto.ca/~john/john/p2486_1.pdf
  5. ^ E. Yablonovitch, T.J. Gmitter e K.M. Leung "Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms", Phys. Rev. Lett., Vol. 67, 2295 (1991) http://prola.aps.org/abstract/PRL/v67/i17/p2295_1
  6. ^ Andrew R. Parker, Ross C. McPhedran, David R. McKenzie, Lindsay C. Botten e Nicolae-Alexandru P. Nicorovici " Photonic engineering: Aphrodite's iridescence Nature 409, 36 - 37 (04 Jan 2001)"
  7. ^ S. Kinoshita, S. Yoshioka e K. Kawagoe “Mechanisms of structural colour in the Morpho butterfly: cooperation of regularity and irregularity in an iridescent scale” Proc. R. Soc. Lond. B 269, 1417-1421 (2002) http://lib.store.yahoo.net/lib/buginabox/kinoshita.pdf

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Kazuaki Sakoda, "Optical Properties of Photonic Crystals", Springer (2005) ISBN 3540206825.
  • John D. Joannopoulos, Robert D. Meade, Joshua N. Winn, "Photonic Crystals: Molding the Flow of Light", Princeton University Press (1995) ISBN 0691037442.

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]



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