Распределенный отражатель Брэгга

Моделирование импульса, отраженного от брэгговского зеркала, с временным разрешением.

Распределенный брэгговский отражатель ( DBR ) — это отражатель, используемый в волноводах , например, в оптических волокнах . Это структура, образованная из нескольких слоев чередующихся материалов с разными показателями преломления или путем периодического изменения некоторой характеристики (например, высоты) диэлектрического волновода, что приводит к периодическому изменению эффективного показателя преломления в световоде. Каждая граница слоя вызывает частичное отражение и преломление оптической волны. волны в вакууме которых Для волн, длина близка к четырехкратной оптической толщине слоев, взаимодействие между этими лучами порождает конструктивную интерференцию , а слои действуют как высококачественный отражатель. Диапазон отражаемых длин волн называется фотонной полосой задерживания . В этом диапазоне длин волн свету «запрещено» распространяться в структуре.

Отражательная способность

DBR Отражательная способность , $R$ , поскольку интенсивность приблизительно равна ^[1]

R=\left[{\frac {n_{o}(n_{2})^{2N}-n_{s}(n_{1})^{2N}}{n_{o}(n_{2})^{2N}+n_{s}(n_{1})^{2N}}}\right]^{2},

где $n_{o},\ n_{1},\ n_{2}$ и $n_{s}\,$ – соответствующие показатели преломления исходной среды, двух чередующихся материалов и конечной среды (т.е. подложки или подложки); и $N$ — количество повторяющихся пар материала с низким/высоким показателем преломления. Эта формула предполагает, что все повторяющиеся пары имеют толщину в четверть волны (т. $nd=\lambda /4$ , где $n$ – показатель преломления слоя, $d$ - толщина слоя, а $\lambda$ длина волны света).

частот Полоса $\Delta f_{0}$ фотонной полосы задерживания можно рассчитать по формуле

{\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}={\frac {4}{\pi }}\arcsin \left({\frac {n_{2}-n_{1}}{n_{2}+n_{1}}}\right),

где $f_{o}$ – центральная частота полосы. Эта конфигурация дает максимально возможное соотношение ${\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}$ этого можно достичь с помощью этих двух значений показателя преломления. ^[2]^[3]

Увеличение количества пар в DBR увеличивает отражательную способность зеркала, а увеличение контраста показателей преломления между материалами в брэгговских парах увеличивает как отражательную способность, так и полосу пропускания. Обычно в качестве материалов для стопки выбирают диоксид титана ( n ≈ 2,5) и кремнезем ( n ≈ 1,5). ^[4] Подстановка в приведенную выше формулу дает ширину полосы около 200 нм для света с длиной волны 630 нм.

Распределенные брэгговские отражатели являются важнейшими компонентами поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором и других типов лазерных диодов с узкой шириной линии, таких как лазеры с распределенной обратной связью (DFB) и лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR) . Они также используются для формирования полости резонатора (или оптического резонатора ) в волоконных лазерах и лазерах на свободных электронах .

Отражательная способность в режимах TE и TM

В этом разделе обсуждается взаимодействие поперечных электрических (ТЕ)и поперечно-магнитный (ТМ) поляризованный свет со структурой DBR, в течение несколькихдлины волн и углы падения. Эта отражательная способность структуры DBR (описана ниже)рассчитывался методом трансфер-матрицы (ТММ), гдетолько режим TE сильно отражается в этом стеке, в то время как режимы TM передаются через. Это также показывает, что DBR действует как поляризатор .

Для падения TE и TM мы имеем спектры отражения стека DBR, соответствующиек шестислойной стопке с диэлектрическим контрастом 11,5 между воздушным и диэлектрическим слоями.Толщины воздушного и диэлектрического слоев составляют 0,8 и 0,2 периода соответственно.Длина волны на рисунках ниже соответствует кратному периоду ячейки.

Этот DBR также является простым примером одномерного фотонного кристалла . Он имеет полную запрещенную зону TE, но только псевдозону TM.

Био-отражатели Брэгга

Пример изменения цвета отражателя Брэгга при изменении влажности и сравнение с биологической структурой.

Отражатели Брэгга, созданные на основе биотехнологий, представляют собой одномерные фотонные кристаллы, вдохновленные природой. Отражение света от такого наноструктурированного вещества приводит к структурному окрашиванию . При изготовлении из мезопористых оксидов металлов ^[5]^[6]^[7] или полимеры, ^[8] эти устройства можно использовать в качестве недорогих датчиков паров/растворителей. ^[9] Например, цвет этих пористых многослойных структур изменится при замене вещества, заполняющего поры, другим, например, при замене воздуха водой.

См. также

Закон Брэгга - Физический закон об углах рассеяния излучения через среду.
Дифракция Брэгга - Физический закон, касающийся углов рассеяния излучения в среде.
Дифракция – явление движения волн.
- Дифракционная решетка - оптический компонент, разделяющий свет на несколько лучей.
Диэлектрическое зеркало - Зеркало из диэлектрических материалов.
Интерферометр Фабри – Перо - Оптическое устройство с параллельными зеркалами.
Волоконная брэгговская решетка - тип распределенного брэгговского отражателя, построенный в коротком сегменте оптического волокна.
Фотонно-кристаллическое волокно - класс оптического волокна, основанный на свойствах фотонных кристаллов.
Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором - тип полупроводникового лазерного диода.
Фотонно-кристаллический датчик

Ссылки

^ Шеппард, CJR (1995). «Приблизительный расчет коэффициента отражения от слоистой среды». Чистая и прикладная оптика: Журнал Европейского оптического общества, часть A. 4 (5): 665. Бибкод : 1995PApOp...4..665S . дои : 10.1088/0963-9659/4/5/018 .
^ Орфанидис, Софокл Дж. (2016). Электромагнитные волны и антенны . Департамент ДОО, Университет Рутгерса.
^ Остин, Б. (2012). «Брэгговская структура и первая спектральная щель» . Письма по прикладной математике . 25 (11): 1926–1930. дои : 10.1016/j.aml.2012.03.002 .
^ Пашотта, Рюдигер. «Зеркала Брэгга» . Энциклопедия лазерной физики и техники . РП Фотоника . Проверено 1 мая 2009 г.
^ Бертуччи, Симона; Мегад, Хеба; Додеро, Андреа; Фиорито, Серхио; Ди Стасио, Франческо; Патрини, Маддалена; Коморетто, Давиде; Лова, Паола (4 мая 2022 г.). «Мягкие золь-гель условия и высокий диэлектрический контраст: простой процесс получения крупномасштабных гибридных фотонных кристаллов для зондирования и фотокатализа» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 14 (17): 19806–19817. дои : 10.1021/acsami.1c23653 . ISSN 1944-8244 . ПМК 9073830 . ПМИД 35443778 .
^ Гульдин, Стефан; Колле, Матиас; Стефик, Морган; Лэнгфорд, Ричард; Эдер, Доминик; Визнер, Ульрих; Штайнер, Ульрих (6 июля 2011 г.). «Перестраиваемые мезопористые брэгговские отражатели на основе самосборки блок-сополимеров» (PDF) . Продвинутые материалы . 23 (32): 3664–3668. дои : 10.1002/adma.201100640 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 21732558 . S2CID 10065931 .
^ Газзал, Мохамед Н.; Депари, Оливье; Де Конинк, Джоэл; Гейно, Эрик М. (2013). «Индивидуальный показатель преломления неорганических мезопористых смешанных оксидов Брэгга с биологическими гигрохромными оптическими свойствами». Журнал химии материалов C. 1 (39): 6202. дои : 10.1039/c3tc31178c . ISSN 2050-7526 .
^ Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Боарино, Лука; Комите, Антонио; Лаус, Мишель; Патрини, Маддалена; Марабелли, Франко; Партнеры, Чезаре; Коморетто, Давиде (10 марта 2015 г.). «Полимерные распределенные брэгговские отражатели для измерения паров». АСУ Фотоника . 2 (4): 537–543. дои : 10.1021/ph500461w . hdl : 11696/32604 . ISSN 2330-4022 .
^ Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь; Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь (28 марта 2013 г.). «Фотонно-кристаллические структуры с настраиваемым цветом структуры как колориметрические датчики» . Датчики . 13 (4): 4192–4213. дои : 10.3390/s130404192 . ПМЦ 3673079 . ПМИД 23539027 .

[1] Шеппард, CJR (1995). «Приблизительный расчет коэффициента отражения от слоистой среды». Чистая и прикладная оптика: Журнал Европейского оптического общества, часть A. 4 (5): 665. Бибкод : 1995PApOp...4..665S . дои : 10.1088/0963-9659/4/5/018 .

[2] Орфанидис, Софокл Дж. (2016). Электромагнитные волны и антенны . Департамент ДОО, Университет Рутгерса.

[3] Остин, Б. (2012). «Брэгговская структура и первая спектральная щель» . Письма по прикладной математике . 25 (11): 1926–1930. дои : 10.1016/j.aml.2012.03.002 .

[4] Пашотта, Рюдигер. «Зеркала Брэгга» . Энциклопедия лазерной физики и техники . РП Фотоника . Проверено 1 мая 2009 г.

[5] Бертуччи, Симона; Мегад, Хеба; Додеро, Андреа; Фиорито, Серхио; Ди Стасио, Франческо; Патрини, Маддалена; Коморетто, Давиде; Лова, Паола (4 мая 2022 г.). «Мягкие золь-гель условия и высокий диэлектрический контраст: простой процесс получения крупномасштабных гибридных фотонных кристаллов для зондирования и фотокатализа» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 14 (17): 19806–19817. дои : 10.1021/acsami.1c23653 . ISSN 1944-8244 . ПМК 9073830 . ПМИД 35443778 .

[6] Гульдин, Стефан; Колле, Матиас; Стефик, Морган; Лэнгфорд, Ричард; Эдер, Доминик; Визнер, Ульрих; Штайнер, Ульрих (6 июля 2011 г.). «Перестраиваемые мезопористые брэгговские отражатели на основе самосборки блок-сополимеров» (PDF) . Продвинутые материалы . 23 (32): 3664–3668. дои : 10.1002/adma.201100640 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 21732558 . S2CID 10065931 .

[7] Газзал, Мохамед Н.; Депари, Оливье; Де Конинк, Джоэл; Гейно, Эрик М. (2013). «Индивидуальный показатель преломления неорганических мезопористых смешанных оксидов Брэгга с биологическими гигрохромными оптическими свойствами». Журнал химии материалов C. 1 (39): 6202. дои : 10.1039/c3tc31178c . ISSN 2050-7526 .

[8] Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Боарино, Лука; Комите, Антонио; Лаус, Мишель; Патрини, Маддалена; Марабелли, Франко; Партнеры, Чезаре; Коморетто, Давиде (10 марта 2015 г.). «Полимерные распределенные брэгговские отражатели для измерения паров». АСУ Фотоника . 2 (4): 537–543. дои : 10.1021/ph500461w . hdl : 11696/32604 . ISSN 2330-4022 .

[9] Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь; Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь (28 марта 2013 г.). «Фотонно-кристаллические структуры с настраиваемым цветом структуры как колориметрические датчики» . Датчики . 13 (4): 4192–4213. дои : 10.3390/s130404192 . ПМЦ 3673079 . ПМИД 23539027 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]