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  • 具有液体薄膜表面的柔性光子晶体

    作者:实验帮译 来源:phys.org 时间:2020-01-07 11:53 阅读:1060 [投稿]
    加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Shimon Rubin和Yeshaiahu Fainman展示了如何从液体中制造出一种柔韧但耐用的光子晶体。他们进行了一系列的计算,以预测基于液体薄膜中非常局部化加热的光子晶体的形成和性能。

    光子晶体有望成为21世纪的奇迹之一。在20世纪,对电子能带结构的新认识——决定固体何时导电或绝缘的物理学——彻底改变了世界。同样的物理,当涉及到光子晶体时,这种材料允许我们以类似于控制电子的方式来控制光。如果光子晶体实现了这些潜在功能,那么全光晶体管将消耗很少的功率,并使更强大的计算机可以成为现实。

    但是,那个场景近期还是无法实现。问题在于控制。我们对电子集成电路的制造有很好的控制,如果要改变电子的能量,只要应用电压,半导体和电子就非常灵活。

    控制光子晶体的制备更为困难。每一个微小的结构都必须被制造、精确复制和放置。光子晶体一旦被制造,就不变了,这使得它非常不灵活。同样,光子能量的改变也不能像电子能量那样有效。结果是,如果光子晶体是计算机的未来,我们将不得不学习如何使它们能够在飞行中被修改。


    波纹流体膜作为超表面

    在一篇最新发表于Advanced Photonics杂志上的论文中,加利福尼亚大学圣地亚哥分校的Shimon Rubin(西蒙·鲁宾)和Yeshaiahu Fainman(耶亥胡·法因曼)展示了如何从液体中制造出一种柔韧但耐用的光子晶体。他们进行了一系列的计算,以预测基于液体薄膜中非常局部化加热的光子晶体的形成和性能。

    液体通常不被认为是光子晶体的最佳选择,因为液体没有固定的结构。光子晶体的光学特性取决于光能够反射数百万个精确放置的结构。但是液体会涨落,所以结构会很快被冲走。

    然而,鲁宾和法因曼指出,在液体薄膜和固体或气体的界面处,液体表面张力和局部温度之间的相互作用可以产生一个小的结构(例如,液体堆积起来形成一个小山)。然而,目前还不知道这些结构是否足够重要,可以作为一个亚表面(光子晶体的一种)发挥作用,并改变光的传播。

    研究人员研究了几种液体薄膜的排列方式,这些液体薄膜很容易使光在液体中(至少部分)被引导。为了获得一种结构,研究人员考虑了光吸收如何加热液体。通过使用光波在胶片内部以不同角度相互交叉,形成亮斑和暗斑的图案,这种图案被称为驻波图案。液体只从亮斑吸收能量,因此,液体只会在非常特定的位置加热。

    柔性流体

    研究人员利用液体的光学和热学特性,结合流体动力学方程和光的传播来计算液体吸收的热量,以及这将如何导致液体局部变形。研究人员表明,通过两到四个光波的交叉,可以获得液膜中起伏的周期性排列。两个光波创造出丘陵和山谷的线条,三个光波创造出丘陵和山谷的六边形排列,而四个光波创造出棋盘的排列。然后根据这些空间排列计算光学性质。

    为了证明他们提出的亚表面的有用性,研究人员计算了激光的阈值。如果像染料这样的增益介质加入到流体中,如上所述的液体的周期性变形可以导致形成能够支持激光模式的谐振器。通过改变光子液晶的对称性,可以控制激光模式的频率和发射方向。

    液晶光子晶体似乎有一些非常好的特性。因为光是用来在液体中创造图案的,所以图案自然而无误地形成。而且,可以通过改变光波之间的角度或用于创建图案的光的波长来动态地改变图案。甚至可以通过调制其中一个光波来创建移动模式。这种固有的灵活性应使许多有趣的应用,例如,计算和医疗保健。然而,这种方法的成功将取决于对这一基本概念的实际演示情况。

    相关链接:https://phys.org/news/2020-01-flexible-photonic-crystal-liquid-thin-film.html 

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