新技术揭示了光子晶体的内部特征

该图像显示彼此叠加的光子晶板的理论（右）和实验（左）的ISO频率轮廓。

麻省理工学院的科学家们开发了一种新技术，揭示了光子晶体的内部细节，其异国情调的光学性质是广泛研究的主题的合成材料。

使用微芯片制造方法的变化，通过在透明材料的板坯中钻成数百万紧密间隔的孔的光子晶体通常通过钻入透明材料的板坯。取决于这些孔的确切方向，尺寸和间隔，这些材料可以表现出各种特殊的光学性质，包括“超细”，这允许推动超出正常理论限制的放大率和“负折射”光在与其通过正常透明材料相反的方向上弯曲。

但是，究竟要了解各种颜色和各种方向的光线如何通过光子晶体移动需要极其复杂的计算。研究人员经常使用高度简化的方法;例如，它们可以仅沿着单个方向或单一颜色计算光的行为。

相反，新技术使全方位的信息直接可见。研究人员可以使用简单的实验室设置来显示信息 - 所谓的“ISO频率轮廓”的模式 - 以可以简单地拍摄和检查的图形形式，在许多情况下消除了计算的需要。该方法在本周在杂志上描述了本周的科学推进，在MIT Postdoc Bo Zhen，最近的Wellesley Colleg毕业生和麻省理工学院艾玛瑞安，MIT Physics MarinSoljačić和John Joannopoulos和其他四个。

这一新技术的发现，甄解释，通过仔细观察研究人员注意到的现象，甚至是多年来，但他们之前没有理解的起源。当样品被激光照射时，散射光的图案似乎从光子材料的样品出局。散射令人惊讶的是，由于制造了潜在的结晶结构以在这些材料中几乎完美。

“当我们试图做一个激光测量时，我们将永远看到这种模式，”甄说。“我们看到这种形状，但我们不知道发生了什么。”但它确实帮助他们获得了正确对齐的实验设置，因为一旦激光束正确地排列了晶体，就会出现散射光图案。在仔细分析时，它们意识到散射图案通过晶体孔中的微小缺陷产生，这些孔在形状不完全圆形或从一端略微逐渐变细。

“即使在可以制造的最佳样品中，也有制造障碍，”雷南说。“人们认为散射会非常弱，因为样品几乎是完美的，”但事实证明，在某些角度和频率下，光线非常强烈地散发出来;可以分散50％的进入光。通过依次用不同颜色的序列照射样品，可以构建相对路径光束的完全显示，所有这些都跨越可见光谱。散射光产生了ISO频率轮廓的直接视图 - 一种不同颜色的光束的方式弯曲的一种地形图，当它们通过光子晶体时弯曲。

“这是一个非常美丽，非常直接的方式来观察ISO频率等高，”Soljačić说。他说：“你只是在样品中发光，正确的方向和频率，”他说的是所需信息的直接形象。

团队说，该发现可能对许多不同的应用程序有用。例如，它可能导致制作大型透明显示屏的方式，大多数光线会直接通过窗口直接通过，但是特定频率的光被散射以在屏幕上产生清晰的图像。或者，该方法可用于制作只能直接在屏幕前面可见的私人显示器。

因为它依赖于晶体的制造中的缺陷，所以该方法也可以用作制造这种材料的质量控制措施;该图像不仅提供了缺陷总量，还提供了它们的具体性质 - 即样品中的主要疾病是来自不直的非圆孔或蚀刻的 - 以便可以调整过程和改善。

“使用聪明的伎俩，Soljačić小组在宾夕法尼亚州立大学物理学助理教授的助理教授，宾夕法尼亚州立大学助理教授Mikael Rechtsman表示，Soljačić集团在其优势上变得令人讨厌（即，纳米制造不可避免的疾病）。“由病症引起的随机散射允许它们直接以对光子晶体板结构的ISO频率轮廓进行图像。由于任何纳米制造结构总是具有一定程度的疾病，并且由于疾病在模拟中难以模拟先验的情况下，它们的方法为光子晶体谐振模式带结构提供了极其方便的表征工具。“

Rechtsman增加了“这可能成为高功率单模半导体激光器（特别是光子晶体表面发射激光器）的寻线的基本工具，具有包括电信和制造的广泛应用。”

该团队还包括MIT研究实验室的研究人员，包括Yuichi Igarashi（现在在日本的NEC Corporation），IDO Kaminer，Chia Wei Hsu（现在在耶鲁大学），尤科沉。该工作得到了军队研究办公室通过麻省理工学院的士兵纳米技术研究所和美国能源部通过S3TEC，能源前沿中心提供支持。

出版物：Emma C. Regan等，“光子结构中的素质轮廓直接成像，”科学推进2016年11月25日：卷。 2，不。 11，e1601591; DOI：10.1126 / sciadv.1601591