Szerkesztő:Valkais/Bragg-reflektor

Egy Bragg-tükörről visszaverődő impulzus időfelbontású szimulációja.

Az Bragg-tükör, elosztott Bragg-reflektor (angolul, Distributed Bragg Reflector, DBR) hullámvezetőkben, például optikai szálakban használt, visszaverődést létrehozó optikai elem^[1]. Ez egy olyan szerkezet, amelyet különböző törésmutatójú, váltakozó anyagok több rétegéből, vagy egy dielektromos hullámvezető bizonyos jellemzőinek (például vastagsának) periodikus változásából alakítanak ki, ami benne az effektív törésmutató periodikus változását eredményezi. Minden réteghatár egy optikai hullám részleges visszaverődését és törését okozza. Azoknál a hullámoknál, amelyek vákuumbeli hullámhossza közel négyszerese a rétegek optikai vastagságának, a nyalábok közötti kölcsönhatás konstruktív interferenciát hoz létre és a rétegek kiváló minőségű visszaverő felületként működnek. A visszavert hullámhossz-tartományt fotonikus stopsávnak nevezzük. Ebben a hullámhossz-tartományban "tilos" a fény terjedése a szerkezetben.

Fényvisszaverési képesség szerkesztés

DBR-struktúra számított reflexiója a hullámhossz (

\lambda

) függvényében

A DBR visszaverő képessége (reflexiója), $R$ , közelítőleg így számolható^[2]

R=\left[{\frac {n_{o}(n_{2})^{2N}-n_{s}(n_{1})^{2N}}{n_{o}(n_{2})^{2N}+n_{s}(n_{1})^{2N}}}\right]^{2},

ahol $n_{o}$ a kiinduló közeg, $n_{1},n_{2}$ a két váltakozó anyag és $n_{s}\,$ a lezáró közeg (azaz hátlap vagy hordozó) megfelelő törésmutatói; és $N$ az $n_{1},n_{2}$ törésmutatójú anyagok ismétlődő párjainak száma. Ez a képlet feltételezi, hogy az ismétlődő párok mindegyikének negyedhullámvastagsága van (azaz $nd=\lambda /4$ , ahol $n$ a réteg törésmutatója, $d$ a réteg vastagsága, és $\lambda$ a fény hullámhossza).

A fotonikus stopsáv frekvenciájának sávszélessége $\Delta f_{0}$ így számítható

{\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}={\frac {4}{\pi }}\arcsin \left({\frac {n_{2}-n_{1}}{n_{2}+n_{1}}}\right),

ahol $f_{o}$ a sáv központi frekvenciája. Ez a konfiguráció adja a lehető legnagyobb ${\Delta f_{0}}/f_{0}$ arányt, ami ezekkel a törésmutatókkal elérhető.^[3]^[4]

A DBR-ben a párok számának növelése növeli a tükör visszaverő képességét, a Bragg-párok anyagai közötti törésmutató-különbség (törésmutató kontraszt) növelése növeli a visszaverő képességet és egyben a sávszélességet is. A rétegek anyaga általában titán-dioxid (n ≈ 2,5) és szilícium-dioxid (n ≈ 1,5).^[5] A fenti képletetbe behelyettesítve ezeket az értékeket, 630 nm-es fényre körülbelül 200 nm sávszélesség adódik.

A DBR reflektorok kritikus alkotóelemei a "függőleges üregű, felületen kibocsátó lézereknek" (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) és más keskeny vonalszélességű lézerdiódáknak^[6], például az elosztott visszacsatolású lézereknek (DFB)^[7] és az elosztott Bragg reflektoros lézereknek (DBR). Szállézerekben^[8] és szabadelektron-lézerekben (FEL)^[9] üregrezonátor kialakítására is alkalmazzák őket.

Reflektivitás a TE és TM módusokra szerkesztés

Teljes visszaverődési térkép a beesési szög (Incident angle) és a dimenzió nélküli frekvencia (omegad/c)függvényében. A dilektrikum/levegő rendszer paraméterei: ε = (11,4, 1,0), vastagságok: d = 0,2 + 0,8 = 1, a rétegek száma összesen 6. Bal oldali függőleges tengelyről a TM-reflexió, a jobb oldalról a TE-reflexióhoz görbéi indulnak. Szaggatott fehér vonal jelöli, a Brewster-szöget^[10] . Az adott szöghöz tartozó reflexiót a vonalak színe jelöli a jobbszélső skálának megfelelően.

Ez a rész a transzverzális elektromos (TE) és a transzverzális mágneses (TM) polarizált fény és a DBR kölcsönhatását tárgyalja, többféle hullámhosszon és beesési szög esetén. A DBR-struktúra visszaverő képességét (lásd alább) az átviteli mátrix módszerrel (TMM) számítottuk ki, ahol a TE módus erősen visszaverődik, míg a TM módus nem (ezért ezt a DBR átereszti). Ez azt is is jelenti egyben, hogy a DBR polarizátorként működik.

A TE és a TM beesés esetén megvan a DBR-struktúra reflexiós spektruma, amely egy hat rétegből áll. Ezeknek 11,4-es a dielektromos kontrasztja (levegő és a dielektromos réteg között). A levegőréteg vastagsága 0,8 a dielektromos rétegé pedig 0,2. Az alábbi ábrákon látható hullámhossz a cella periódusának többszörösének felel meg.

A DBR egy egydimenziós (1D) fotonikus kristály. Teljes TE sávszélességgel rendelkezik, de csak pszeudo TM sávszélességgel.

Biológia által ihlett Bragg reflektorok szerkesztés

Bragg reflektor színváltozására a páratartalom változásának hatására, összehasonlítva az alatta látható biológiai szerkezettel (cincér szárnyfedője).

A bio-ihlette Bragg reflektorok olyan 1D fotonikus kristályok, melyek a természetben előforduló visszaverőrétegek^[11] működése alapján készültek. Az ilyen nanostrukturált anyagokról visszaverődő fény szerkezeti színeződés tapasztalható (a felület nem az anyaga színe, hanem a mikroszerkezete miatt látszik színesnek). A mezopórusos fém-oxidokból^[12]^[13]^[14] vagy polimerekből^[15] ezen elv alapján készített eszközök olcsó gőz/oldószer-érzékelőként használhatók.^[16] Egy ilyen porózus, többrétegű anyag színe megváltozik, ha a pórusokat kitöltő anyag kicserélődik, például a pórusaiban levő levegőt helyére víz megy be.

Kapcsolódó oldalak szerkesztés

Jegyzetek szerkesztés

↑ Optikai elemek diszperziós tulajdonságai/Bragg-tükör. (Hozzáférés: 2005. január 1.)
↑ C J R Sheppard (1995). „Approximate calculation of the reflection coefficient from a stratified medium”. Pure and Applied Optics: Journal of the European Optical Society Part A 4 (5), 665. o. DOI:10.1088/0963-9659/4/5/018.
↑ Orfanidis, Sophocles J.. Electromagnetic Waves and Antennas. ECE Department, Rutgers University (2016)
↑ Osting (2012). „Bragg structure and the first spectral gap”. Applied Mathematics Letters 25 (11), 1926–1930. o. DOI:https://doi.org/10.1016/j.aml.2012.03.002. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)
↑ Paschotta, Rüdiger. Bragg Mirrors
↑ Laser diode. (Hozzáférés: 2016. január 1.)
↑ Distributed-feedback laser. (Hozzáférés: 2007. január 15.)
↑ Fiber laser. (Hozzáférés: 2006. március 29.)
↑ Free-electron_laser. (Hozzáférés: 2004. augusztus 31.)
↑ Brewster törvénye. (Hozzáférés: 2019. január 1.)
↑ Márk Géza István, Bálint Zsolt, Kertész Krisztián, Vértesy Zofia, Biró László Péter (2007). „A BIOLÓGIAI EREDETÛ FOTONIKUS KRISTÁLYOK CSODÁI”. Fizikai Szemle (4), 116-121. o.
↑ Bertucci (2022. május 4.). „Mild Sol–Gel Conditions and High Dielectric Contrast: A Facile Processing toward Large-Scale Hybrid Photonic Crystals for Sensing and Photocatalysis” (angol nyelven). ACS Applied Materials & Interfaces 14 (17), 19806–19817. o. DOI:10.1021/acsami.1c23653. ISSN 1944-8244. PMID 35443778.
↑ Guldin (2011. július 6.). „Tunable Mesoporous Bragg Reflectors Based on Block-Copolymer Self-Assembly” (angol nyelven). Advanced Materials 23 (32), 3664–3668. o. DOI:10.1002/adma.201100640. ISSN 0935-9648. PMID 21732558.
↑ Ghazzal (2013. április 25.). „Tailored refractive index of inorganic mesoporous mixed-oxide Bragg stacks with bio-inspired hygrochromic optical properties” (angol nyelven). Journal of Materials Chemistry C 1 (39), 6202. o. DOI:10.1039/c3tc31178c. ISSN 2050-7526.
↑ Lova (2015. március 10.). „Polymer Distributed Bragg Reflectors for Vapor Sensing” (angol nyelven). ACS Photonics 2 (4), 537–543. o. DOI:10.1021/ph500461w. ISSN 2330-4022.
↑ Wang (2013. március 28.). „Photonic Crystal Structures with Tunable Structure Color as Colorimetric Sensors” (angol nyelven). Sensors 13 (4), 4192–4213. o. DOI:10.3390/s130404192. PMID 23539027. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

Fordítás szerkesztés

Ez a szócikk részben vagy egészben a Distributed Bragg reflector című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként. [[Kategória:Optika]]

[1] Optikai elemek diszperziós tulajdonságai/Bragg-tükör. (Hozzáférés: 2005. január 1.)

[2] C J R Sheppard (1995). „Approximate calculation of the reflection coefficient from a stratified medium”. Pure and Applied Optics: Journal of the European Optical Society Part A 4 (5), 665. o. DOI:10.1088/0963-9659/4/5/018.

[3] Orfanidis, Sophocles J.. Electromagnetic Waves and Antennas. ECE Department, Rutgers University (2016)

[4] Osting (2012). „Bragg structure and the first spectral gap”. Applied Mathematics Letters 25 (11), 1926–1930. o. DOI:https://doi.org/10.1016/j.aml.2012.03.002. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[5] Paschotta, Rüdiger. Bragg Mirrors

[6] Laser diode. (Hozzáférés: 2016. január 1.)

[7] Distributed-feedback laser. (Hozzáférés: 2007. január 15.)

[8] Fiber laser. (Hozzáférés: 2006. március 29.)

[9] Free-electron_laser. (Hozzáférés: 2004. augusztus 31.)

[10] Brewster törvénye. (Hozzáférés: 2019. január 1.)

[11] Márk Géza István, Bálint Zsolt, Kertész Krisztián, Vértesy Zofia, Biró László Péter (2007). „A BIOLÓGIAI EREDETÛ FOTONIKUS KRISTÁLYOK CSODÁI”. Fizikai Szemle (4), 116-121. o.

[12] Bertucci (2022. május 4.). „Mild Sol–Gel Conditions and High Dielectric Contrast: A Facile Processing toward Large-Scale Hybrid Photonic Crystals for Sensing and Photocatalysis” (angol nyelven). ACS Applied Materials & Interfaces 14 (17), 19806–19817. o. DOI:10.1021/acsami.1c23653. ISSN 1944-8244. PMID 35443778.

[13] Guldin (2011. július 6.). „Tunable Mesoporous Bragg Reflectors Based on Block-Copolymer Self-Assembly” (angol nyelven). Advanced Materials 23 (32), 3664–3668. o. DOI:10.1002/adma.201100640. ISSN 0935-9648. PMID 21732558.

[14] Ghazzal (2013. április 25.). „Tailored refractive index of inorganic mesoporous mixed-oxide Bragg stacks with bio-inspired hygrochromic optical properties” (angol nyelven). Journal of Materials Chemistry C 1 (39), 6202. o. DOI:10.1039/c3tc31178c. ISSN 2050-7526.

[15] Lova (2015. március 10.). „Polymer Distributed Bragg Reflectors for Vapor Sensing” (angol nyelven). ACS Photonics 2 (4), 537–543. o. DOI:10.1021/ph500461w. ISSN 2330-4022.

[16] Wang (2013. március 28.). „Photonic Crystal Structures with Tunable Structure Color as Colorimetric Sensors” (angol nyelven). Sensors 13 (4), 4192–4213. o. DOI:10.3390/s130404192. PMID 23539027. (Hozzáférés: Hiba: Érvénytelen idő.)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]