Photonic crystals with tunable properties

Abstract

Interaction between light and matter is the main subject of nanophotonics. For most systems, the interaction is electronic, that is, it involves changes in the properties of electrons present in the system. Recently however, this approach has been reversed [76, 29]: light instead of electrons will serve as the information carrier. Thus, the confinement of photons in analogy with the confinement of electrons is the fundamental alteration in these interactions. This feature can be explained from a simple standpoint, that is, light presents several advantages over the electron; it can travel in a dielectric material at much greater speeds than an electron in a metallic wire and also photons are not strongly interacting with each other as with electrons, which helps reduce energy losses [27]. Hence, there is a strong need to design materials so that they can affect the properties of photons, in much the same way that a semiconductor crystal affects the properties of electrons. Both Yablonovitch and John [76, 29] suggested that structures with a periodic variation in the dielectric constant could influence the nature of photonic modes in a material. In this sense, the answer to this need is met through the realization of photonic crystals, which are artificial periodic nanostructures designed to control and manipulate the flow of light. Considering these three approaches mentioned above for nanoscale light confinement, one comes across the main scope of this thesis which deals with the fabrication and characterization of 3D linear and nonlinear photonic crystals. In particular, we focus on 3D fabrication of high quality photonic structures and on the design of stimulus-responsive materials for dynamic tuning of photonic properties. The systems under study are woodpile based photonic crystals fabricated by means of the two photon polymerization technique. For this reason, the synthesis of novel linear and nonlinear materials suitable for two photon fabrication, with proper optical and mechanical properties necessary for the fabrication of precise 3D photonic structures will be the starting point in our study. Following this, the study of the optical properties of these novel materials in combination with the study of the optical properties of the fabricated structures will lead us towards the complete characterization of such 3D photonic systems.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και ύλης αποτελεί το κύριο αντικείμενο του κλάδου της νανοφωτονικής. Για τα περισσότερα συστήματα, η αλληλεπίδραση αυτή είναι ηλεκτρονική, δηλαδή περιλαμβάνει τις αλλαγές των ιδιοτήτων των ηλεκτρονίων που είναι παρόντα στο σύστημα. Πρόσφατα, όμως, η προσέγγιση αυτή έχει αντιστραφεί: το φως (φωτόνια) αντί των ηλεκτρονίων θα αποτελεί το φορέα της πληροφορίας. Κατά αυτόν τον τρόπο, ο περιορισμός των φωτονίων σε πλήρη αντιστοιχία με τον περιορισμό των ηλεκτρονίων αποτελεί τη θεμελιώδη μεταβολή σε αυτές τις αλληλεπιδράσεις. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να εξηγηθεί με ένα απλοϊκό ισχυρισμό, δηλαδή, ότι το φως παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ηλεκτρόνια: μπορεί και ταξιδεύει μέσα σε ένα διηλεκτρικό υλικό με μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι το ηλεκτρόνιο σε ένα μεταλλικό σύρμα και επιπλέον, τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν ισχυρά μεταξύ τους όπως στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, το οποίο βοηθάει στην μείωση των ενεργειακών απωλειών. Ως εκ τούτου, υπάρχει η ανάγκη για τον σχεδιασμό υλικών έτσι ώστε να μπορούν να επηρεάζουν τις ιδιότητες των φωτονίων, όπως ακριβώς και ένας ημιαγωγικός κρύσταλλος επηρεάζει τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων. Τόσο ο Yablοnovitch όσο και ο John πρότειναν ότι δομές με περιοδική μεταβολή της διηλεκτρικής σταθεράς θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη φύση των φωτονικών ρυθμών μέσα στο υλικό. Κατά αυτήν την έννοια, η απάντηση σε αυτήν την ανάγκη δίνεται μέσω της πραγματοποίησης των φωτονικών κρυστάλλων, οι οποίοι αποτελούν τεχνητές περιοδικές νανοδομές σχεδιασμένες έτσι ώστε ελέγχουν και να καθοδηγούν τη ροή του φωτός. Λαμβάνοντας υπόψη αυτήν την ανάγκη για περιορισμό των φωτονίων σε κλίμακα νανομέτρων, ερχόμαστε στον αντικειμενικό σκοπό της παρούσης διδακτορικής διατριβής που συνίσταται στην κατασκευή και στο χαρακτηρισμό τρισδιάστατων γραμμικών και μη γραμμικών φωτονικών κρυστάλλων. Συγκεκριμένα, επικεντρώνουμε στην κατασκευή υψηλής ποιότητας τρισδιάστατων φωτονικών δομών και στον σχεδιασμό μη γραμμικά αποκρινόμενων υλικών για τη δυναμική μεταβολή των φωτονικών ιδιοτήτων. Τα υπό μελέτη συστήματα είναι woodpile φωτονικοί κρύσταλλοι, τους οποίους κατασκευάζουμε μέσω της τεχνικής του διφωτονικού πολυμερισμού. Για τον σκοπό αυτό, η σύνθεση καινοτόμων γραμμικών και μη γραμμικών υλικών που πληρούν τις προϋποθέσεις για την εφαρμογή της τεχνικής του διφωτονικού πολυμερισμού, με κατάλληλες οπτικές και μηχανικές ιδιότητες απαραίτητες για την κατασκευή υψηλής ακρίβειας τρισδιάστατων φωτονικών δομών θα αποτελέσει το σημείο εκκίνησης της μελέτης μας. Ακολούθως, η μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των νέων υλικών σε συνδυασμό με τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων των φωτονικών δομών που κατασκευάζουμε θα μας οδηγήσει στον πλήρη χαρακτηρισμό αυτών των τρισδιάστατων φωτονικών συστημάτων.