logo

logo

logo

logo

logo

البلورات الفوتونية

بلورات فوتونيه

Photonic crystal - Cristal photonique

البلورات الفوتونية

 

البلورة الفوتونية Photonic crystal هي تكرار دوري لشكل معين من مادة أولى في مادة ثانية تختلف عنها في قرينة انكسارها. قد يكون التكرار لسطح مستوٍ يتكرر على شكل طبقات متتالية من المادتين، أي تكرار في بعد واحد، أو تكرار في بُعدين، كأن تصطف مجموعة من الأعمدة الموشورية في بنية مثلثة

 أو مربعة أو مسدسة. ويمكن أن يكون التكرار في ثلاثة أبعاد، كأن تتوضع كرات من الزجاج متراصة  في بنية مجسمة وسط الهواء أو الماء أو أي مادة أخرى (الشكل 1). في الواقع، تستمد هذه البنى تسميتها بالبلورة بسبب ذلك، إذ إنها تشبه البلورات العادية التي تتكرر فيها ذرات أو جزيئات تصطف بصورة دورية في ثلاثة أبعاد. تفرض هذه الدورية قيوداً على انتشار الضوء قد تصل إلى منع انتشاره في بعض الاتجاهات، إذا ما وقع تواترها (ترددها) في مجال معين من التواترات؛ فتسلك سلوك البلورات العادية عندما تمنع حركة الإلكترونات داخلها، فتكوِّن العوازل أو أنصاف النواقل. ولمّا كان تعاملها مع الضوء وفوتوناته، فقد سميت بلورات فوتونية. وتسمى أحياناً المواد الفوتونية ذات الفجوة العصابية Photonic band-gap materials.

ويستفاد من خاصة المنع هذه في صنع المرشحات الضوئية، وإذا ما جرى تعديل في البنية يمكن أن تعمل عمل دليل الموجة[ر] (الشكل 2) كما يمكن الاستفادة من اختلاف الانتشار باختلاف الاستقطاب[ر] في صنع قواطع ضوئية، فتكتمل بذلك العناصر الضوئية المقابلة للعناصر الإلكترونية المنمنمة Miniature  والتي أدت إلى ثورة التقانات الإلكترونية، لتطرح الحواسيب الضوئية المعتمدة على الضوء والفوتونات نفسها منافسةً الحواسيب المعتمدة على الإلكترونات. في الواقع، تستعمل الآن في صناعة الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية Opto electronics  مثل هذه العناصر التي تعتمد التفاعل بين الضوء وإلكترونات المواد، لتصنيع مُحِسات للضوء Sensors، لكن أهميتها تكمن في أنها تكمِل ما تحتاج إليه الحواسيب الضوئية من عناصر لتسخر الضوء فقط في عملها، مستفيدةً من السرعة العالية لانتشاره ومعالجته الإشارات الضوئية، إذ إن الحواسيب الحالية وصلت إلى حدود سرعتها النظرية المعتمدة على حركة الإلكترونات. فيمكن لهذه العناصر أن تتكامل مع عناصر أخرى على رقاقة، مكونةً معالجاتٍ وداراتٍ متكاملة (مُدْمجة)، وذواكر بصورة مشابهة للرقاقة الإلكترونية المستعملة في الحواسيب.

يمكن الحصول على بلورات فوتونية إما بالتصنيع المباشر، كأن تحفر طبقات متتالية، مختلفة في قرينة انكسارها، لتكون البنية المطلوبة باستخدام كيماويات أو بالليزر (الشكل )، أو بالاستفادة من الانتظام الطبيعي الحاصل عند تبخر المُحِلات لمعلقاتٍ تحتوي كراتٍ أقطارها مرتبة الميكرومتر، مصنوعة من الزجاج أو من المواد البوليرية (الشكل 4). ويستفاد في الطريقتين من الخبرة المتراكمة لدى تصنيع الدارات المتكاملة على السيلكون،

 سواء من حيث التصميم الطبقي أو من حيث التنميش والحفر على ركيزة لتكوين طرق ضوئية متكاملة وأدلة موجة فيما بعد، مما يجعل تعديل الإشارة الضوئية وكشف التعديل ممكناً بواسطة التحكم بالمواد التي تصادفها الإشارات الضوئية فيمكن أن تجمع الاشارات أو تطرح فيحدث تعديل في شدتها أو في تواترها أو في طورها واستقطابيتها، وهذه الأخيرة وسيط تتميز به الإشارات الضوئية مقارنة بالإشارات الإلكترونية.

 لقد صنعت بلورات فوتونية تعمل في مجال تحت الأحمر القريب، أي في مجال الأطوال الموجية البالغة بضعة مكرومترات، واختبرت فكانت النتيجة متفقة مع ما هو متوقع منها نظرياً. لكن الحصول على بلورات فوتونية تعمل في المجال المرئي أمر أكثر صعوبة، وهو قيد التطوير، وذلك لوجوب كون الأبعاد بين ما يسمى بالذرات تجاوزاً (بين الكرات الزجاجية مثلاً) وكذلك أبعادها (أقطار الكرات) من مرتبة الأطوال الموجية حتى تكون الآثار واضحة، فهي في الأصل آثار تداخل[ر]. كما تعتمد ظاهرة منع انتشار الضوء في اتجاه معين على التباين بين قرينتي انكسار الوسطين، فكلما كان التباين أكبر كان الأثر أوضح.

تُستَنتج خواص البلورات الفوتونية، نظرياً، اعتماداً على ايجاد حلول لمعادلات مكسويل التي تحكم انتشار الضوء (الأمواج الكهرطيسية عموماً)، بصورة مشابهة لتبدد الضوء[ر]، لكن علينا أن نأخذ الانتظام البلوري في الحسبان، فيعالج الضوء معالجة انعراج الأشعة السينية. فيؤخذ ما يحصل لدى مصادفة الضوء لكرة واحدة مثلاً ثم تجمع الآثار عن الكرات المنتظمة الترتيب ليُستَخْلَص شبيه قانون براغ وما يتبعه.

لقد بُرمجت هذه المعادلات في كودات codes تمكِّن من حل هذه المعادلات لأشكال متنوعة اللبنات الأساسية لمادة أولى في مادة ثانية، مثل البلورات الثنائية البعد المكونة من أسطوانات موشورية مختلفة المقاطع، دائرية أو مثلثية أو مربعة، ومصطفة في مسدسات أو في مربعات وأمكن دراسة الخواص المميزة لكل منها بغية انتقاء المناسب لغرض معين.

 

يستفاد من دراسة البلورات الفوتونية، إضافة إلى ما ذكر من تطبيقات فوائد تهم النظريين والمشتغلين في تصنيع المواد. إذ تمكنهم من اختبار نظرياتهم وتوقعاتهم في حالة البلورات العادية المصنوعة من الذرات الفعلية مع ما يقابلها في حالة البلورات الفوتونية التي يمكن تصنيعها والتحكم في أشكال اللبنات الأساسية المقابلة للذرات، وذلك نتيجة وجود تقابل بين معادلات مكسويل الحاكمة لسلوك الضوء ومعادلات شرودنغر في ميكانيك الكم[ر] الحاكمة لسلوك الإلكترونات في المواد البلورية المختلفة، والتي كانت مرشدة لتطور الإلكترونيات والمواد المختلفة نصف الناقلة وثورتها. غير أن سرعة حركة الإلكترونات في المادة أقل بكثير من سرعة انتشار الضوء في المادة، مما يجعل الحواسيب الضوئية هدفاً يتجاوز محدودية سرعة الحواسيب الحالية، خاصة مع تطور الاتصالات عبر الألياف الضوئية [ر]، وبعض التعديلات التي استفادت هي أيضاً من خواص البلورات الفوتونية، لتُحسِّن من انتقائيتها وعملها في تقانات التضميم Multiplexing وعزل الإشارات الضوئية. يظهر في الشكل (5) صورة لرقاقة فوتونية Photonic chip متكاملة متخَيَّلة يطلق عليها بعضهم مكروبولس الفوتونية Photonic micropolis  نسبة إلى جون جوانوبولوس John Joannopoulos الأمريكي الجنسية وأول من صنع البلورات الفوتونية وبرهن على خواصها.

 

فوزي عوض

 

الموضوعات ذات الصلة:

 

الأمواج الكهرمغنطيسية ـ أنصاف النواقل ـ تبدد الضوء وامتصاصه.


التصنيف : الكيمياء و الفيزياء
النوع : علوم
المجلد: المجلد الخامس
رقم الصفحة ضمن المجلد : 336
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1105
الكل : 44627410
اليوم : 101043

البحث التربوي

البحث التربوي   البحث التربوي Educational Research هو كل نشاط يتصل بعملية التربية ويهدف إلى شرح الظواهر التربوية والتحكم فيها والتنبؤ بها، واكتشاف قواعد العمل اللازمة لزيادة مردود التربية بمعناها الواسع. ويشمل البحث التربوي الدراسات التجريبية والنظرية والبحوث التطبيقية والاستقصاءات والملاحظات المتصلة بالظواهر التربوية.
المزيد »