Distribuovaný Braggův reflektor - Distributed Bragg reflector

Časově rozlišená simulace pulzu odrážejícího se od Braggova zrcadla.

A distribuovaný Braggův reflektor (DBR) je reflektor použito v vlnovody, jako optická vlákna. Je to struktura vytvořená z více vrstev střídavých materiálů s různými index lomu, nebo periodickou změnou některé charakteristiky (například výšky) dielektrického vlnovodu, což má za následek periodickou změnu efektivního indexu lomu v průvodci. Každá hranice vrstvy způsobuje částečný odraz optické vlny. Pro vlny, jejichž vakuum vlnová délka je téměř čtyřnásobek optická tloušťka vrstev se kombinuje mnoho odrazů konstruktivní interference a vrstvy působí jako vysoce kvalitní reflektor. Rozsah vlnových délek, které se odrážejí, se nazývá fotonický stopband. V tomto rozsahu vlnových délek je světlo „zakázáno“ šířit se ve struktuře.

Odrazivost

Vypočítaná odrazivost schematické struktury DBR

DBR odrazivost, ${ displaystyle R}$ , pro intenzita je přibližně dáno ^[1]

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

kde ${ displaystyle n_ {o}, n_ {1}, n_ {2}}$ a ${ displaystyle n_ {s} ,}$ jsou příslušné indexy lomu původního média, dvou střídavých materiálů a koncového média (tj. podkladu nebo substrátu); a ${ displaystyle N}$ je počet opakovaných párů materiálu s nízkým / vysokým indexem lomu.

Frekvence šířka pásma ${ displaystyle Delta f_ {0}}$ fotonického zastavovacího pásma lze vypočítat z

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

kde ${ displaystyle f_ {o}}$ je střední frekvence pásma. Tato konfigurace poskytuje největší možný poměr ${ displaystyle { frac { Delta f_ {0}} {f_ {0}}}}$ které lze dosáhnout s těmito dvěma hodnotami indexu lomu.^[2]

Zvýšení počtu párů v DBR zvyšuje odrazivost zrcadla a zvýšení kontrastu indexu lomu mezi materiály v Braggových párech zvyšuje odrazivost i šířku pásma. Běžnou volbou materiálů pro stoh je oxid titaničitý (n≈2,5) a oxid křemičitý (n≈1.5).^[3] Dosazením do výše uvedeného vzorce se získá šířka pásma asi 200 nm pro světlo 630 nm.

Distribuované Braggovy reflektory jsou důležitými součástmi lasery vyzařující svislý povrch dutiny a další typy úzké šířky laserové diody jako lasery s distribuovanou zpětnou vazbou (DFB) a lasery s distribuovaným Braggovým reflektorem (DBR). Používají se také k vytvoření dutinový rezonátor (nebo optická dutina ) v vláknové lasery a volné elektronové lasery.

Odrazivost režimu TE a TM

Vypočítaná odrazivost pro světlo režimu TE při různých úhlech dopadu a vlnových délkách. Červené oblasti odpovídají R = 1, zatímco modré oblasti odpovídají R = 0 a ostatní barvy 0

Vypočítaná odrazivost pro světlo režimu TM při různých úhlech dopadu a vlnových délkách. Oranžové oblasti odpovídají R = 1, zatímco modré oblasti odpovídají R = 0 a ostatní barvy 0

Tato část pojednává o interakci příčné elektrické (TE) a příčné magnetické (TM) polarizované světlo se strukturou DBR, přes několik vlnových délek a úhlů dopadu. Tato odrazivost struktury DBR (popsaná níže) byla vypočítána pomocí metoda přenosové matice (TMM), přičemž samotný režim TE velmi odráží tento zásobník, zatímco režimy TM procházejí. To také ukazuje, že DBR funguje jako polarizátor.

Pro dopad TE a TM máme odrazová spektra hromady DBR, odpovídající vrstvě 6 vrstev dielektrického kontrastu 11,5, mezi vzduchem a dielektrickými vrstvami. Tloušťky vrstvy vzduchu a dielektrika jsou 0,8 a 0,2 období Vlnová délka na obrázcích níže odpovídá násobkům buněčného období.

Tento DBR je také jednoduchým příkladem 1D fotonický krystal. Má úplnou mezeru pásma TE, ale pouze mezeru pásma pseudo TM.

Biologicky inspirované Braggovy reflektory

Soubor: Bio-inspirovaný-kolorimetrický-film-založený-na-hygroskopické-zabarvení-tesaříků-brouků- (Tmesisternus-srep44927-s3.ogv

Přehrát média

Příklad změny barvy v Braggově reflektoru se změnou vlhkosti a porovnáním s biologickou strukturou.

Bio-inspirované Braggovy reflektory jsou 1D fotonické krystaly inspirované přírodou. Odraz světla od takové nanostrukturované hmoty má za následek strukturální zbarvení. Při konstrukci z mezoporézních oxidů kovů^[4]^[5] nebo polymery,^[6] tato zařízení lze použít jako levné senzory par / rozpouštědel.^[7] Například barva těchto porézních vícevrstvých struktur se změní, když je hmota vyplňující póry nahrazena jinou, např. nahrazením vzduchu vodou.

Viz také

Braggův zákon - Fyzikální zákon týkající se rozptylu úhlů záření přes médium
Braggova difrakce
Difrakce - Fenomén pohybu vln
- Difrakční mřížka - Optická součást, která rozděluje světlo na několik paprsků
Dielektrické zrcadlo
Interferometr Fabry – Pérot
Vláknová Braggova mřížka
Fotonické krystalové vlákno
Laser vyzařující povrch ve vertikální dutině

Reference

^ Sheppard, C.J.R. (1995). "Přibližný výpočet koeficientu odrazu ze stratifikovaného média". Čistá a aplikovaná optika: Journal of the European Optical Society Part A. 4 (5): 665. Bibcode:1995PApOp ... 4..665S. doi:10.1088/0963-9659/4/5/018.
^ Osting, B. (2012). „Braggova struktura a první spektrální mezera“. Aplikovaná matematická písmena. 25 (11): 1926–1930. doi:10.1016 / j.aml.2012.03.002.
^ Paschotta, Rüdiger. „Braggova zrcadla“. Encyclopedia of Laser Physics and Technology. RP Photonics. Citováno 1.května, 2009.
^ Guldin, Stefan; Kolle, Mathias; Stefik, Morgan; Langford, Richard; Eder, Dominik; Wiesner, Ulrich; Steiner, Ullrich (06.07.2011). „Nastavitelné mezoporézní Braggovy reflektory založené na blokové kopolymerové vlastní montáži“ (PDF). Pokročilé materiály. 23 (32): 3664–3668. doi:10.1002 / adma.201100640. ISSN 0935-9648. PMID 21732558.
^ Ghazzal, Mohamed N .; Deparis, Olivier; De Coninck, Joel; Gaigneaux, Eric M. (2013). „Přizpůsobený index lomu anorganických mezoporézních směsí Braggových směsí s biologicky inspirovanými hygrochromními optickými vlastnostmi“. Journal of Materials Chemistry C. 1 (39): 6202. doi:10.1039 / c3tc31178c. ISSN 2050-7526.
^ Lova, Paola; Manfredi, Giovanni; Boarino, Luca; Comite, Antonio; Laus, Michele; Patrini, Maddalena; Marabelli, Franco; Soci, Cesare; Comoretto, Davide (10.03.2015). "Polymerově distribuované Braggovy reflektory pro snímání par". ACS Photonics. 2 (4): 537–543. doi:10.1021 / ph500461w. ISSN 2330-4022.
^ Wang, Hui; Zhang, Ke-Qin; Wang, Hui; Zhang, Ke-Qin (2013-03-28). "Struktury fotonických krystalů s laditelnou barvou struktury jako kolorimetrické senzory". Senzory. 13 (4): 4192–4213. doi:10,3390 / s130404192. PMC 3673079. PMID 23539027.

[1] Sheppard, C.J.R. (1995). "Přibližný výpočet koeficientu odrazu ze stratifikovaného média". Čistá a aplikovaná optika: Journal of the European Optical Society Part A. 4 (5): 665. Bibcode:1995PApOp ... 4..665S. doi:10.1088/0963-9659/4/5/018.

[2] Osting, B. (2012). „Braggova struktura a první spektrální mezera“. Aplikovaná matematická písmena. 25 (11): 1926–1930. doi:10.1016 / j.aml.2012.03.002.

[3] Paschotta, Rüdiger. „Braggova zrcadla“. Encyclopedia of Laser Physics and Technology. RP Photonics. Citováno 1.května, 2009.

[4] Guldin, Stefan; Kolle, Mathias; Stefik, Morgan; Langford, Richard; Eder, Dominik; Wiesner, Ulrich; Steiner, Ullrich (06.07.2011). „Nastavitelné mezoporézní Braggovy reflektory založené na blokové kopolymerové vlastní montáži“ (PDF). Pokročilé materiály. 23 (32): 3664–3668. doi:10.1002 / adma.201100640. ISSN 0935-9648. PMID 21732558.

[5] Ghazzal, Mohamed N .; Deparis, Olivier; De Coninck, Joel; Gaigneaux, Eric M. (2013). „Přizpůsobený index lomu anorganických mezoporézních směsí Braggových směsí s biologicky inspirovanými hygrochromními optickými vlastnostmi“. Journal of Materials Chemistry C. 1 (39): 6202. doi:10.1039 / c3tc31178c. ISSN 2050-7526.

[6] Lova, Paola; Manfredi, Giovanni; Boarino, Luca; Comite, Antonio; Laus, Michele; Patrini, Maddalena; Marabelli, Franco; Soci, Cesare; Comoretto, Davide (10.03.2015). "Polymerově distribuované Braggovy reflektory pro snímání par". ACS Photonics. 2 (4): 537–543. doi:10.1021 / ph500461w. ISSN 2330-4022.

[7] Wang, Hui; Zhang, Ke-Qin; Wang, Hui; Zhang, Ke-Qin (2013-03-28). "Struktury fotonických krystalů s laditelnou barvou struktury jako kolorimetrické senzory". Senzory. 13 (4): 4192–4213. doi:10,3390 / s130404192. PMC 3673079. PMID 23539027.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]