|
|
 |
Ολογραφικός έλεγχος
|
|
|
|
|
|
|
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι συμπεριφέρονται στο φως όπως τα ημιαγώγιμα υλικά στο ηλεκτρικό ρεύμα. Τυπικά, συντίθενται από μια διατεταγμένη σειρά κοιλοτήτων εντός ενός διαθλαστικού μέσου, και ανακλούν ή επιτρέπουν να διέλθει το φως ανάλογα με το μήκος κύματός του και την αλληλεπίδραση όλων των μικροσκοπικών κυματιδίων που έχουν σκεδαστεί από τις οπές. Από μια άποψη, οι φωτονικοί κρύσταλλοι υπολείπονται σε μεγάλο βαθμό των εξαδέλφων τους που έχουν ως βάση το πυρίτιο: είναι δύσκολο να διαμορφώσει κανείς τις ιδιότητες ενός φωτονικού κρυστάλλου ―για παράδειγμα, να εναλλάξει τη λειτουργία του από το να ανακλά στο να επιτρέπει τη διέλευση του φωτός. Πρόσφατα, ερευνητικές ομάδες παρουσίασαν έναν πολύπλευρο τρόπο κατασκευής μιας κατηγορίας υλικών που αποτελούνται από ένα πολυμερές διεσπαρμένο με «σταγονίδια» υγρού κρυστάλλου των οποίων η οπτική απόκριση μπορεί να ελεγχθεί με την εφαρμογή μιας τάσης.
Η παρασκευή ξεκινά με ένα μείγμα από μονομερή μόρια και μόρια υγρού κρυστάλλου, εγκλωβισμένα μεταξύ δύο φύλλων υποστρώματος, όπως γυαλί καλυμμένο από λεπτό στρώμα αγώγιμου υλικού. Το διάλυμα ακτινοβολείται από δύο ή περισσότερες δέσμες λέιζερ, οι οποίες είναι ευθυγραμμισμένες και πολωμένες για να παραγάγουν μια συγκεκριμένη εικόνα συμβολής ―δηλαδή, τις εναλλασσόμενες σκοτεινές και φωτεινές περιοχές που εμφανίζονται όταν έχουμε επικάλυψη δεσμών λέιζερ. (Αυτό είναι το ολόγραμμα της συγκεκριμένης τεχνικής.) Στα φωτεινά σημεία της εικόνας, τα μονομερή συνδέονται και σχηματίζουν ένα περίπλοκο δίκτυο πολυμερών. Καθώς αυτή η αντίδραση προχωρά, νέα μονομερή διαχέονται από τις σκοτεινές προς τις φωτεινές περιοχές, προκαλώντας συσσώρευση του υγρού κρυστάλλου στις σκοτεινές περιοχές. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα στερεό πολυμερές με σταγονίδια υγρού κρυστάλλου ενσωματωμένα σε ένα μόρφωμα που αντιστοιχεί στις σκοτεινές περιοχές του ολογραφικού περιγράμματος συμβολής.
Το υλικό δρα ως φωτονικός κρύσταλλος, διότι τα σταγονίδια υγρού κρυστάλλου, των οποίων οι οπτικοί άξονες είναι προσανατολισμένοι κατά τυχαίο τρόπο, σκεδάζουν το φως. Ενεργός έλεγχος του φωτονικού κρυστάλλου επιτυγχάνεται με την εφαρμογή τάσης, γεγονός που προκαλεί την ευθυγράμμιση των οπτικών αξόνων κάθε σταγονιδίου. Αυτά τα ευθυγραμμισμένα πια σταγονίδια αποδίδουν φως με τον ίδιο δείκτη διάθλασης του περιβάλλοντος πολυμερούς ―το υλικό γίνεται διαφανές σαν ένα ομοιόμορφο κομμάτι καθαρού πλαστικού.
Όταν χρησιμοποιούνται μόνο δύο δέσμες λέιζερ, τα σταγονίδια τακτοποιούνται ανά επίπεδα μέσα στο πολυμερές, σχηματίζοντας αυτά που ονομάζονται φράγματα περίθλασης. Διατάξεις τέτοιου είδους, οι οποίες από τεχνικής πλευράς δεν είναι φωτονικοί κρύσταλλοι επειδή δομούνται μόνο σε μία διεύθυνση, είχαν κατασκευαστεί ήδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1980.
Η ιδέα της ενσωμάτωσης υλικού υγρού κρυστάλλου μέσα σε αμιγείς φωτονικούς κρυστάλλους είχε προταθεί το1999 από τον Kurt Busch, του Πανεπιστημίου της Καρλσρούης, και τον Sajeev John, του Πανεπιστημίου του Τορόντο. (Ο John ήταν επίσης ένας από τους πρωτεργάτες που συνέλαβαν τη βασική ιδέα των φωτονικών κρυστάλλων το 1987.) Μια πρώιμη προσπάθεια υλοποίησης αυτής της ιδέας περιελάμβανε έναν κρύσταλλο αποτελούμενο από πυκνά διατεταγμένες σφαίρες πυριτίου με τα ενδιάμεσα διάκενα να πληρούνται με υγρό κρύσταλλο. Αυτός όμως ο τρόπος παρασκευής έχει περιορισμούς στις δομές που μπορεί να δώσει, και η παρασκευή απαιτεί διάφορα βήματα. Η ολογραφική παρασκευή, αντίθετα, μπορεί να δώσει μια αυθαίρετη, κανονικά διατεταγμένη πλεγματική δομή σε ένα και μόνο βήμα. Απαιτούνται τέσσερις ή και περισσότερες δέσμες λέιζερ για να δημιουργήσουν μια πλήρως τρισδιάστατη σειρά από σταγονίδια. Το τρισδιάστατο μόρφωμα καθορίζεται από τα μήκη κύματος και τις διευθύνσεις των δεσμών ―τα σχήματα και τα μεγέθη των μεμονωμένων σταγονιδίων καθορίζονται από τις σχετικές πολώσεις και εντάσεις των δεσμών.
Δύο ερευνητικές ομάδες έχουν παραγάγει πρόσφατα τέτοιους φωτονικούς κρυστάλλους. Ο Timothy Bunning, του Ερευνητικού Εργαστηρίου της Αμερικανικής Αεροπορίας στη βάση Wright-Patterson στο Οχάιο, μαζί με τους συνεργάτες του, παρουσίασε έναν τρισδιάστατο κρύσταλλο του οποίου η περιθλαστική δράση μπορούσε να εξαλειφθεί πλήρως. Στο Πανεπιστήμιο Brown, οι Gregory P. Crawford, Michael J. Escuti και Jun Qi έδειξαν ότι οι τρισδιάστατοι κρύσταλλοι μπορούν να μεταβούν από μια οπτική κατάσταση σε μια άλλη για ένα πιο στενό εύρος τάσης απ’ ό,τι τα απλούστερα μονοδιάστατα φράγματα. Έδειξαν επίσης πως μια ζώνη απαγορευμένης διέλευσης ―σύνολο μηκών κύματος που μπλοκάρονται από τον κρύσταλλο― θα μπορούσε να ποικίλλει για ένα μικρό εύρος μηκών κύματος, αφήνοντας έτσι ανοικτό το ενδεχόμενο κατασκευής ενός ρυθμιζόμενου φίλτρου.
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι με υγρούς κρυστάλλους που έχουν κατασκευαστεί ώς τώρα έχουν συγκριτικά ασθενείς οπτικές ιδιότητες, διότι οι υγροί κρύσταλλοι εκτρέπουν το φως ελάχιστα περισσότερο απ’ ό,τι το υπόστρωμα πολυμερούς. Ένας στόχος της τρέχουσας έρευνας είναι να επινοηθούν κρύσταλλοι οι οποίοι θα έχουν μεγαλύτερη διαφορά των τιμών του δείκτη διάθλασης. Παρουσιάζοντας ισχυρότερα οπτικά φαινόμενα, τέτοιοι κρύσταλλοι θα έχουν μεγαλύτερη χρησιμότητα σε εφαρμογές όπως διακόπτες, φίλτρα και ανακλαστικές οθόνες.
|
|
|
|
|
|
