Koloidi

5.1 Fotonski kristali
Fotonski kristali so snovi, pri katerih se dielektrična konstanta periodično spreminja. Zaradi periodičnosti
so nekateri valovni vektorji prepovedani in dobimo fotonski prepovedani pas, ki je prikazan na Sliki 12a.
Fotoni z energijo, ki ustreza temu pasu, se namreč ne morejo širiti po kristalu.
Situacija je zelo podobna polprevodniškim kristalom, le da imamo tu opravka s fotoni namesto z
elektroni, kar pa prinese precej prednosti. Svetloba lahko nosi večje število informacij, fotoni se lahko
gibljejo precej hitreje od elektronov in precej manj interagirajo s snovjo, kar zmanjša energijske izgube.
Prednost fotonskih kristalov je tudi v drugačnem načinu manipulacije svetlobe. Namesto totalnih odbojev
imamo tu prepovedani pas, ki nam določa dovoljene valovne vektorje v snovi. Lahko si predstavljamo,
da zaradi periodičnosti dielektrične konstante dobimo Braggova sipanja svetlobe z določenimi valovnimi
vektorji. Vsaka napaka v periodičnosti bi določala neka lokalizirana fotonska stanja. Točkasti defekti
delujejo kot resonančne votline, linijski defekti kot valovni vodniki in ravninski kot popolna ogledala.
Slika 12: (a) V fotonskem kristalu so določeni valovni vektorji prepovedani in dobimo fotonski prepovedani pas
(označen z rumeno). Na abscisi je prikazana smer valovnega vektorja, na ordinati pa frekvenca svetlobe. (b)
Prikazan je valovni vodnik po linijskem defektu. Beli krogi predstavljajo valjaste dielektrične palčke, zložene v
kvadratno kristalno mrežo. Linijski defekt nastane, ko odstranimo palčke v pasu, kjer želimo defekt. Spodnja
legenda pa prikazuje velikost električnega polja v vodniku.
Svetloba, ki bi potovala po valovnem vodniku v fotonskem kristalu, bi bila vanj ujeta in bi jo lahko
vodili po natančno določeni poti. Pot bi lahko zajemala ostre zavoje, kot je prikazano na Sliki 12b, česar
s sedanjimi optičnimi vlakni ne moremo narediti, saj ne bi mogli več izpolniti pogoja za totalni odboj.
Taki optični valovni vodniki bi imeli tudi zelo malo izgub. Nihajni način, ujet v defekt, je drugje v
kristalu prepovedan in zato ne more zapustiti defekta. Primarna izguba bi lahko bila odboj svetlobe nazaj
na prednji ali zadnji plasti kristala.
S točkastim defektom v notranjosti kristala dobimo majhno votlino, obdano z odbojnimi stenami.
Če je votlina take oblike, da zadošča prepovedanemu nihajnemu načinu v kristalu, lahko svetlobo vanjo
"ujamemo". Z oblikovanjem določenih lastnosti votline bi lahko vplivali na spontano emisijo svetlobe
vzbujenih atomov. To bi lahko privedlo do novih tipov barv, ogledal, filtrov, lahkih, poceni in fleksibilnih
laserjev, LED diod idr. [26]
15