http://phys.org/news/2012-10-glimpse-photonic-crystal.html
By Lisa Zyga, October 2, 2012
(Phys.org) -- 雖然今日的智慧手機、平板與其他小型電子裝置依賴的是電氣資料連接，不過在未來，它們可能使用光連接以便變得更快與更小。光子晶體（Photonic crystals）對此目的而言是理想的工具，因為它們能在奈米尺度上引導與曲折光線。迄今，研究者未能一窺光子晶體內部以測量光強度（light intensity）如何分佈。現在在一項新研究中，來自荷蘭 Twente 大學 MESA+ Institute 的研究團隊已開發出一種方法，能測光在量光子晶體內的強度分佈。
這項研究，那發表在最近一期的 Optics Express 上，也許導致對光子晶體的新洞見，能協助新應用的發展。
如研究者的解釋，光子晶體是具有複雜三維結構的材料，其對光的操縱類似半導體控制電子的方式。光子晶體具有週期性結構，其長度尺度近似光的波長。在自然界中可找到的光子晶體例子是寶石蛋白石（gem opal），那由微小的二氧化矽球狀物（silicate spheres）排列而成的規律陣列所組成，其排列次序如同晶格中的原子，不過長度尺度卻比光子晶體內的原子大數千倍。
此研究領域的主要目標是製造出與光交互作用的強烈成度足以達到「光子能隙（photonic band gap）」的光子晶體。光子能隙是在某一範圍內被禁止朝任何方向傳播的色光。能隙可起因於結晶體中的失序（disorder），因為失序導致局部態（localized states），那有效使光陷入籠中。此類型的控制能使研究者駕馭光束，並引領它們繞行微小的光晶片。
為了以這種方式控制光，搞清楚光子晶體內的電磁場分佈會很有幫助。到目前為止，測繪局部場的唯一光學方法是近場掃描式光學顯微術，那掃描晶體表面。然而，這種技術有幾項缺點，因為它無法探測結晶體內部，不過這裡所呈現新方法卻可以。
"我們首度證明，如何看透光子晶體內部，" Twente 大學的第一作者 Thomas Denis 表示。"利用一種令人驚訝的簡單方法，我們能測繪一個光子晶體內個別場分量（field component）的絕對強度。這樣一種方法對新穎光子晶體裝置（例如電腦晶片上的快速光互連）的設計而言，應極為重要。"
為了測繪光子晶體內部不同地點的電磁場強度，研究者設置一項實驗，在其中，他們將一個光子晶體置於二面鋁鏡間。在這個共振腔內，光在二面鏡子間來回反射。因為光是一種波，只有波長與共振腔長度相符的波能夠累積。換言之，只有特定顏色能存在於腔內。
在測量晶體的共振色（resonating color），或頻率，研究者接著研究，當他們將光子晶體內，一個懸吊在尼龍繩上的 2mm 珠子降低時，頻率會有何變化。這顆珠子散射鄰近電磁波，以一種與該地點光強度成正比的方式，改變了晶體的頻率。當把珠子移動到不同地點時測量頻率偏移，研究者從而能測繪出光子晶體內部各處的電磁場強度。
"例如，在上面這張圖內（譯註：參見原站），共振腔限制光的累積成藍光，" Denis 說。"把小珠置於光子晶體內時，這導致散射，那改變在腔內共振的光色。光波得要繞個小路繞過這個散射物體。因此，光共振之處的顏色改變了，那能被測量。在圖中，它從綠色到紅色的改變端視珠子的位置而定。藉由將珠子移動到腔內各處，這讓我們能透過測量所造成的色偏移，測繪出所有地點的光強度。"
研究者也解釋光子晶體內的電場有六個分量（components），而這六個分量中的每一個，可藉由選擇適當材質、形狀與方向（orientation）的珠子，僅使某個分量能影響其頻率偏移，從而個別測得各分量。
在未來，研究者也想要進行修改過的實驗，例如將珠子置於當作繩子的奈米碳管上。原子力顯微鏡能控制奈米管的位置並提供晶體內高空間解析度的場。最終，測繪光子晶體內部的能力，將會為這些裝置在未來應用中的使用，提供一種可貴的工具。
※ 相關報導：
＊ Method to map individual electromagnetic field components inside a photonic crystal
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-20-20-22902
T. Denis, B. Reijnders, J. H. H. Lee, P. J. M. van der Slot,＊ 磁色微球體：新聚合物能回應外部磁場立即變色
W. L. Vos, and K.-J. Boller
Optics Express, Vol. 20, Issue 20, pp. 22902-22913 (2012)
doi: 10.1364/OE.20.022902
arXiv:1207.2004 [physics.optics]
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