Ким
я могу что надо, то и могу
Ты дурак, если не восходил на Фудзияму. Но если ты был на ней дважды, ты дурак вдвойне (японская пословица)
Ким Александров
Все записи
текст

Введение в безумную оптику

"ММ" №5/116 2015, с. 72
Оптика, в свое время послужив катализатором революции в физике, долго оставалась одной из самых консервативных дисциплин. Что нового можно найти в досконально изученных явлениях вроде преломления или дифракции? 

Просветленная оптика, современные отражающие материалы для суперзеркал, световоды, очки с небьющимися полимерными стеклами, контактные линзы, голографические наклейки на лицензионных продуктах и жидкокристаллические дисплеи – вот, пожалуй, и все, чем может похвастаться оптика массового потребления. И пусть вас не вводят в заблуждение дорогие фотообъективы, состоящие из десятков и десятков линз и призм! Принцип у них точно такой же, как и у древних дагерротипных ящиков, – построить неискаженное изображение на чувствительной пластине, меняя ход световых лучей.
Конечно, специалист-экспериментатор может скептически усмехнуться, прочитав эти утверждения: мол, что взять с писак-журналистов, не разбирающихся ни в чем? А как же, например, интерферометры, без которых не обходится ни один эксперимент, претендующий на точность? Или лазеры? Все так, но с одной существенной оговоркой: оптика в научном применении часто использует совершенно иные явления, нежели банальные отражение и преломление. Тот же электронный микроскоп при всем желании сложно назвать оптическим прибором. 


Однако в последние десятилетия появилось новое научно-экспериментальное направление, сулящее вернуть оптике ведущие роли буквально во всех областях человеческой деятельности. Речь идет о так называемых фотонных кристаллах, обязанных своим появлением в 1987 году работам Эли Яблоновича (Eli Yablonovitch), сотрудника американской компании Bell Communications Research. Исследователь, ныне занимающий пост профессора Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, ввел в научный обиход такие фундаментальные для современной оптики понятия, как «запрещенная зона для электромагнитных волн или фотонов» (electromagnetic/photonic band gap) и, собственно, сам «фотонный кристалл» (photonic crystal).

Справедливости ради стоит отметить, что прототипы фотонных кристаллов существуют уже миллионы лет, и многие из нас неоднократно их видели, радуясь игре красок. Примеры такой перспективной биоструктуры – перламутровое покрытие раковин или радужные блики на крыльях тропических бабочек, призванные в буквальном смысле ослепить партнера по размножению. Да и в неживой природе можно найти видимый аналог – это полудрагоценный камень опал с необычным блеском. «Повинна» в таком великолепии двойственная природа света, в которой корпускулярные свойства в некоторой степени отражаются в положениях геометрической оптики, а волновые отвечают за интерференцию и дифракцию. Именно естественные дифракционные «решетки» из тончайших волосков или чешуек, порожденные эволюцией, и заставляют струи света трепетать на крыльях бабочки и показывать то, чего на самом деле нет.


С кристаллами все и проще и сложнее. Почему вообще есть непрозрачные предметы? Ведь все на свете состоит из атомов, а они на 99 % пустые. Так разве лучи света не могут проходить между крохотными ядрами и еще менее мелкими электронами на внешних орбитах? Именно так может спросить пытливый восьмиклассник, в рамках школьной программы ставший стихийным адептом корпускулярной теории света. 
Ответить ему (да и большинству взрослого населения) «на пальцах» сложно, но попытаемся это сделать, не прибегая к сложной математике. И начнем с утверждения, что даже через кристально чистое стекло свет не проходит! (Этот факт талантливо обыграл замечательный фантаст Боб Шоу в своем романе «Other days, other light», с которым я настоятельно рекомендую ознакомиться всем любителям хорошей литературы.) Ни один фотон, достигший внешней границы среды, не пролетает сквозь нее беспрепятственно. 


Дело в том, что свет – это поперечная электромагнитная волна, которая обязательно взаимодействует с внутренним содержимым атомов по алгоритму «поглощение фотона – возбуждение – излучение фотона с возвращением в исходное состояние». Вновь излученные частицы света попадают на соседние атомы, напоминая падение костяшек домино, выстроенных в длинную цепочку. Акты переизлучения сравнительно медленны и зависят от множества факторов (среди них – строение атомов и расстояние между ними, то есть характеристики вещества), но в очень грубом приближении этот механизм объясняет, почему скорость света в различных средах меняется. Прибавив к этому факту принцип наименьшего времени, утверждающий, что свет из всех возможных путей выбирает тот, на прохождение которого затрачивается минимальное время, можно будет достаточно основательно предсказать поведение лучей.
Все это в основном касается сред, в которых энергия собственных колебаний частиц больше или примерно равна энергии связи между ними: однородных газов, жидкостей и стекла, представляющих собой оптически изотропные среды. Если же свет попадает, например, в мутные растворы или газовые смеси с ощутимыми температурными градиентами, картина намного осложняется.


Дисциплины, изучающие кристаллы, переживают сегодня настоящий бум. Прежде всего это связано с расширением предмета изучения. Теперь под кристаллами понимаются самые разные упорядоченные структуры, от простейшего кубика хлорида натрия до грандиозных белковых ансамблей с тысячами компонентов, в том числе и органических. Более того, некоторые исследователи полагают, что и такие гигантские молекулы, как ДНК, также обладают определенными кристаллическими свойствами. О важности этого научного направления говорит Нобелевская премия 2011 года по химии, присужденная израильтянину Дану Шехтману (Daniel Shechtman) за открытие квазикристаллов. Но применительно к предмету нашего разговора кристаллы оптически неоднородны, в них скорость света (и, следовательно, показатель преломления) меняется в зависимости от направления.
В самом простейшем случае свет, входя в анизотропный кристалл, разделяется на два луча, колеблющиеся под прямым углом друг к другу и распространяющиеся с разными скоростями. Этот эффект называется двойным лучепреломлением, и в школе неизменный восторг вызывает демонстрация оптических свойств исландского шпата. Таким образом, анизотропный кристалл характеризуется двумя показателями преломления: у гексагональных и тетрагональных кристаллов указываются максимальный и минимальный показатели, а в орторомбических, моноклинных и триклинных кристаллах их уже три, включая промежуточный.
Показатели преломления – характеристические величины для каждого кристаллического твердого вещества, так что их измерение служит надежным и эффективным методом идентификации с помощью рефрактометра или поляризационного микроскопа. 
Многие фотографы используют такое явление, как плеохроизм, заключающийся в различном поглощении света в зависимости от направления. Именно так работают поляризационные фильтры, устраняющие блики на отражающих поверхностях. 
И здесь напрашивается совершенно безосновательная, на первый взгляд, аналогия с поведением электронов. Ведь они тоже ведут себя двояко, в одних случаях проявляя типично корпускулярные качества, а в других – подчиняясь волновым закономерностям. А в такой фундаментальной для современных технологий области, как полупроводники, вовсю используются квантовые свойства типа туннельного эффекта в полевых транзисторах. Но в основе основ цифровой техники – элементарная логика в стиле «да-нет», то есть элементарное с определенными оговорками наличие/отсутствие тока позволяет решать широчайший круг задач, в том числе и по обработке недискретных сигналов типа изображения или звука.


Для принципиального понимания лучше всего посмотреть, памятуя о достаточно близкой дуалистической аналогии, как ведут себя электроны в различных кристаллах. Как мы прекрасно знаем, есть кристаллы, проводящие ток, есть диэлектрики, а есть полупроводники, вещества с управляемой проводимостью, созданные человеком. В общем случае это упорядоченные многоатомные структуры, в которых электроны с внешних орбит могут заполнять различные, но вполне определенные уровни, называемые разрешенными. В них плотность состояний электронов, переходя на язык квантовой физики, отлична от нуля. 
Но если есть разрешенные зоны, то почему бы и не быть запрещенным? Так и есть, и один из краеугольных камней современной физики (точнее, физики твердого тела) – зонная теория, без которой было бы невозможно, например, создание полупроводников или объяснение эффекта сверхпроводимости. Запрещенные зоны играют роль барьера между валентной зоной и областью проводимости (а они, понятно, по определению разрешены). У изоляторов их ширина велика, и никакие ухищрения не помогут электронам «отрываться» от материнских атомов и уходить в свободное плавание. С проводниками все ровно наоборот: у них зоны валентной связи и проводимости практически смыкаются, и даже слабое поле способно заставить электронный «газ» дрейфовать в согласованном макроскопическом направлении. 


Чем же замечательны полупроводники (хотя правильнее было бы говорить о «недоизоляторах»)? Тем, что у них кристаллическая решетка дефектна! Искусственные «огрехи» (примеси или разрывы) существенно меняют ширину запрещенных зон и позволяют влиять на проводимость извне. В транзисторном «сандвиче» именно напряжение, подаваемое на базу, позволяет управлять током «эмиттер-коллектор». Однако всякого рода квантовые неопределенности ведут к появлению паразитных токов утечек, искажающих обрабатываемый сигнал. Это свойство транзисторов и усилителей на их основе стало даже предметом насмешек апологетов «теплого лампового звука».
И вот здесь возникает интереснейшая возможность: если подобрать определенным образом своеобразный кристаллический «бутерброд» с разными показателями преломления, то на некоторых частотах он будет полностью отражать свет, категорически не пропуская его через себя. Ничего не напоминает? Да ведь это аналог транзистора с запертой базой! Традиционная оптика с ее опытом создания составных линз здесь не поможет: размер таких структур должен быть сравним с длиной волны света, например, это может быть что-то вроде дифракционной решетки (двух- или трехмерной) с периодом около микрона. 
Возможный и перспективный вариант снова подсказывает матушка-природа. Так, существует очень редкая разновидность опала – так называемый гидрофан (на Руси их называли водосветами). Он сложен из сферических зерен из двуокиси кремния, между которыми есть пустоты. Если погрузить такой кристалл в воду, то она их заполнит, образуя упорядоченные зоны с другим коэффициентом преломления. В итоге водосвет в воде становится совершенно невидимым. 
Канадские исследователи из Университета Торонто создали искусственный опал, в котором в шаровых узлах кристалла находились концентрические полости, покрытые тонкой металлической пленкой. В итоге кристалл оказался очень эффективным оптическим фильтром, не пропускавшим свет в полосе всего 0,25 микрона! 


Дальше – больше! Налицо – почти полная аналогия с обычными кристаллами, со всеми атрибутами зонной теории: упорядоченной внутренней структурой, валентными и запрещенными энергетическими зонами, схожими закономерностями распространения частиц. Только вместо электронов – фотоны различных частот. И этим аналогии не исчерпываются. Фотонные кристаллы по свойствам запрещенных для световых квантов зон делятся на оптические проводники, изоляторы, полупроводники и… сверхпроводники. Но и это еще не все: в фотонных кристаллах тоже дефекты-«примеси», материалы с другим показателем преломления, формально позволяющие фотонам «пролезать» сквозь внутренние энергетические заборы. 

И что же из всего этого следует? Достаточно много. Например, как вам частотный оптический фильтр с резко ограниченной полосой пропускания? Уже одно это применение может сильно повлиять на индустрию производства цветных дисплеев, позволяя без больших затрат перейти к выпуску цветокалиброванных мониторов, принципиально лишенных хроматических искажений. И тогда можно будет забыть, например, о цветовых профилях различных устройств отображения, заведомо зная, что на любом сертифицированном мониторе в любом краю вы видите одно и то же.
А что вы скажете о полностью оптическом компьютере с завидным быстродействием (например, в 1000 гигагерц) и практически не выделяющем тепло? Ведь для современной вычислительной техники чрезмерное тепловыделение стало проблемой номер один, ставящей крест на неукоснительном выполнении закона Мура («Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца»). И здесь достижения микроэлектроники могут помочь сами себе: самые перспективные, с точки зрения экономической отдачи, технологии создания фотонных кристаллов – хорошо освоенные травление и фотолитография. 
Найдется фотонным кристаллам место и в традиционной оптике. Например, становится реальным создание прозрачных сред с отрицательным показателем преломления и высокой дисперсией, а на их основе – суперлинз, позволяющих фокусировать свет в пятна размером меньше длины волны, и суперпризм для обработки световых потоков очень низкой интенсивности. Также ученые заявляют о принципиальной возможности создания нового поколения низкопороговых микролазеров, теоретическая экономичность которых на порядок выше, чем у современных полупроводниковых приборов. 

Периодические кристаллические структуры могут взаимодействовать не только со светом. Фактически речь может идти об обработке любых сигналов, включая сверхвысокочастотные (СВЧ) и звуковые (фононные), то есть речь идет о широчайшем инженерном применении. И, пожалуй, многим университетам стоит задуматься о введении новой дисциплины «Волновая кристаллооптика», чтобы в преддверии новой технологической революции не оказаться у разбитого корыта.


Читать эту статью в онлайн версии журнала "ММ": http://www.21mm.ru/?mag=116#072 
Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика