imported>Georg Hügler: /* Vorkommen in der Natur */ Flügel sind keine Kristalle

2025-04-24T03:59:56Z

Vorkommen in der Natur: Flügel sind keine Kristalle

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'''Photonische Kristalle''' sind [[Periodizität|periodische]] optische [[Nanostruktur]]en, die die Bewegung von [[Photon]]en beeinflussen können.<ref name="em-org">{{Internetquelle |url=https://www.electricity-magnetism.org/de/wie-funktioniert-ein-photonischer-kristall/ |titel=Wie funktioniert ein photonischer Kristall? |werk=Elektrizität und Magnetismus |abruf=2024-06-19}}</ref> Photonische Kristalle sind in prinzipiell [[Transparenz (Physik)|transparenten]] [[Festkörper]]n vorkommende oder geschaffene periodische Strukturen des [[Brechungsindex]], die u. a. durch [[Beugung (Physik)|Beugung]] und [[Interferenz (Physik)|Interferenz]] die Bewegung von Photonen (in der Regel [[sichtbares Licht]] oder [[Infrarot]]) beeinflussen. Photonische Kristalle sind nicht zwingend [[kristall]]in – ihr Name rührt von analogen Beugungs- und Reflexionseffekten von [[Röntgenstrahlung]] in [[Kristall]]en aufgrund ihrer [[Gitterkonstante]]n her.

Diese Strukturen können entweder in regelmäßigen Abständen eine Änderung der Brechungsrate oder eine periodische Anordnung von Luftlöchern in einem Feststoffmedium aufweisen. Aufgrund dieser periodischen Anordnung weisen sie eine photonische Bandlücke auf, in der Licht bestimmter Frequenzen nicht propagieren kann.<ref name="em-org" />

Die Strukturabmessungen sind gleich oder größer eines Viertels der zugehörigen Wellenlänge der Photonen, sie liegen also im Bereich von Bruchteilen eines Mikrometers bis mehrere Mikrometer.

Photonische Kristalle lassen sich von [[Interferenz (Physik)|Interferenzschichten]] und [[Beugungsgitter]]n dadurch abgrenzen, dass sie
* drei- oder auch eindimensional sein können,
* unter Umständen steuerbar sein können.

[[Datei:Celastrina argiolus1.jpg|mini|Die photonischen Kristalle bei einem [[Bläulinge|Bläuling]] (hier ein [[Faulbaum-Bläuling]])]]

Photonische Kristalle kommen auch in der Natur vor. So entstehen zum Beispiel die schillernden Farben auf Schmetterlingsflügeln durch periodische Strukturen, wie sie auch bei photonischen Kristallen Verwendung finden.

== Aufbau ==

[[Datei:Pconetwothree.jpg|mini|Comparison of 1D, 2D and 3D photonic crystal structures (from left to right, respectively)]]
Als photonischen Kristall bezeichnet man eine Anordnung mit räumlich periodischer Dielektrizität. Diese Variation der Dielektrizität wird durch Kombination von mindestens zwei Materialien unterschiedlicher Dielektrizität erreicht. Je nachdem in wie vielen Raumrichtungen diese Variation vorliegt, unterscheidet man zwischen 1, 2 und 3-dimensionalen photonischen Kristallen.<ref name="Iap" />

Photonische Kristalle bestehen aus strukturierten [[Halbleiter]]n, [[Glas|Gläsern]] oder [[Polymer]]en und werden meist durch die aus der [[Mikroelektronik]] bekannten Verfahren hergestellt. Sie zwingen das [[Licht]] mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, sich in der für die Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten. Dadurch wird es nicht nur möglich, Licht auf Abmessungen, welche in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, zu führen, sondern auch zu filtern und wellenlängenselektiv zu reflektieren.

Es handelt sich um periodische [[Dielektrikum|dielektrische]] Strukturen, deren [[Periode (Physik)|Periodenlänge]] so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung von [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Wellen]] in ähnlicher Weise beeinflussen wie das periodische Potential in [[Halbleiter]]kristallen die Ausbreitung von [[Elektron]]en. Sie zeigen daher einzigartige optische Eigenschaften, wie beispielsweise [[Bragg-Reflexion]] von sichtbarem Licht.

Insbesondere entsteht analog zur Ausbildung der elektronischen [[Bandstruktur]] eine [[photonische Bandstruktur]], die Bereiche verbotener Energie aufweisen kann, in denen sich elektromagnetische Wellen nicht innerhalb des Kristalls ausbreiten können ([[photonische Bandlücke]]n, PBG = englisch: {{lang|en|''photonic band gap''}}). Photonische Kristalle können also in gewisser Weise als das optische Analogon zu elektronischen [[Halbleiter]]n, also als „optische Halbleiter“, angesehen werden.

== Funktionsweise ==
Ebenso wie Elektronen in Halbleitern durch eine Bandlücke am Durchgang gehindert werden, können Photonen in photonischen Kristallen durch eine photonische Bandlücke gehindert werden, sich durch das Medium zu bewegen. Die Lücke entsteht durch die periodische Struktur des Kristalls und verhindert, dass Photonen bestimmter Frequenzen sich durch den Kristall bewegen, wobei einige Frequenzen reflektiert, andere aber durchgelassen werden. Damit ist eine präzise Kontrolle der Ausbreitung des Lichtes möglich.<ref name="em-org" />

=== Photonische Bandlücke ===
Durch die periodische Variation der Dielektrizitätskonstante und damit auch des Brechungsindexes im photonischen Kristall (es gilt für nichtmagnetische, nicht absorbierende Materialien 𝑛= 𝜀, mit n= Brechungsindex, 𝜀= relative Dielektrizitätskonstante) kommt es zur Ausbildung einer photonischen Bandlücke. Das bedeutet, dass gewisse Frequenzen der einfallenden Welle am Kristall total reflektiert werden. Bandlücken sind aber an eben diese Variation der Dielektrizitätskonstanten gebunden, das heißt sie existieren nur in jene Richtungen, in denen die Periodizität vorliegt.<ref name="Iap">Andreas Pichler und Gerold Aschinger: [https://www2.iap.tuwien.ac.at/~gebeshuber/phot.Kristall_Pl39_ST_20100312.pdf ''Laboranleitung photonischer Kristall''] Institut für Angewandte Physik, Wien</ref>

== Herstellung ==
Für die Herstellung der Strukturen in photonischen Kristallen gibt es mehrere Techniken wie elektrochemisches Ätzen in verdünnter Flusssäure, [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|lithografische Verfahren]], selbstorganisierende Methoden und direktes Schreiben mit [[Elektronenstrahllithografie]], wobei die gewünschten Anwendungen das Design bestimmen. Über Größe, Form und Periode der Strukturen innerhalb des Kristalls kann die Bandlücke und damit die spezifischen Frequenzen von Licht, die reflektiert oder übertragen werden, gesteuert werden.<ref name="em-org" />
So lässt sich die photonische Bandlücke leicht auf die gewünschte Wellenlänge abstimmen und eine wellenlängenselektive Filterung erreichen.<ref>{{Literatur |Autor= Michael Foos |Titel=Photonische Kristalle als MWIR-Filter eröffnen neue Anwendungsbereiche }}</ref>

== Anwendung ==
Angewendet werden photonische Kristalle insbesondere in der optischen [[Telekommunikation]]. Man kann mit Hilfe von photonischen Kristallen beispielsweise [[Wellenleiter]] mit sehr kleinen Kurvenradien (im [[Meter#Mikrometer|Mikrometerbereich]]) bei geringen Verlusten, effizientere Festkörperlaser, extrem schmalbandige optische Filter, [[Multiplexer]] und verschiedene andere neuartige optoelektronische Bauelemente realisieren. Seit längerem sind auch „photonische Kristall“-[[Glasfaser|Fasern]] (kurz PCF, on englisch {{lang|en|''photonic-crystal fiber''}}), kommerziell erhältlich.

Longitudinale [[Bragg-Gitter]] ([[Faser-Bragg-Gitter]]) können u. a. in [[DFB-Laser]]n angewendet werden.

== Vorkommen in der Natur ==
Photonische Kristalle, die in der Natur vorkommen, finden sich unter anderem in [[Opal]]en, [[Vogelfeder]]n und [[Schmetterlinge|Schmetterlingsflügeln]].

== Forschungsgeschichte und Literatur ==

Photonische Kristalle wurden zuerst 1972 von Bykov beschrieben:
* {{Literatur |Autor=V. P. Bykov |Titel=Spontaneous Emission in a Periodic Structure |Sammelwerk=Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics |Band=35 |Datum=1972 |ISSN=0038-5646 |Seiten=269–273 |Online=[http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_035_02_0269.pdf PDF] |Abruf=2013-11-03}}

und zum ersten Mal Ende der 1970er Jahre von R. Zengerle experimentell realisiert:
* Remigius Zengerle: ''Lichtausbreitung in ebenen periodischen Wellenleitern.'' Doktorarbeit, Universität Stuttgart, 1979.
* {{Literatur |Autor=R. Zengerle |Titel=Light Propagation in Singly and Doubly Periodic Planar Waveguides |Sammelwerk=Journal of Modern Optics |Band=34 |Nummer=12 |Datum=1987 |DOI=10.1080/09500348714551531 |Seiten=1589–1617}}
Ende der 1980er Jahre wurden sie unabhängig von [[Eli Yablonovitch]] und [[Sajeev John]] mit ihren optischen Eigenschaften theoretisch berechnet:
* {{Literatur |Autor=Eli Yablonovitch |Titel=Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=58 |Nummer=20 |Datum=1987-05-18 |ISSN=0031-9007 |DOI=10.1103/PhysRevLett.58.2059 |Seiten=2059–2062}}
* {{Literatur |Autor=[[Sajeev John]] |Titel=Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=58 |Nummer=23 |Datum=1987-06-08 |ISSN=0031-9007 |DOI=10.1103/PhysRevLett.58.2486 |Seiten=2486–2489}}
Seit dieser Zeit hat die Forschungsaktivität in diesem Bereich stetig zugenommen und photonische Kristalle sind zu einem aktiven Forschungsgebiet geworden, an dem weltweit viele Arbeitsgruppen an Universitäten und Forschungseinrichtungen arbeiten. Es geht dabei um die Schaffung von Lichtleitkabeln mit besonderen Eigenschaften (neue Wellenlängenbereiche, engere Biegeradien, Kombifasern für Faserlaser, Fasern mit geringer Dispersion usw.) und die [[Optronik]].

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Albert Birner, Kurt Busch, Frank Müller |Titel=Photonische Kristalle |Sammelwerk=[[Physikalische Blätter]] |Band=55 |Datum=1999 |Nummer=4 |Seiten=27 |Sprache=de |DOI=10.1002/phbl.19990550410 |Online=http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19990550410/pdf |Format=PDF}}
* {{Literatur |Autor=[[Sajeev John]] |Titel=Photonic Band Gap Materials: A New Frontier in Quantum and Nonlinear Optics |Hrsg=R. Kaiser, C. Westbrook, F. David |Sammelwerk=[[École de Physique des Houches#Liste der veröffentlichten Les Houches Lectures|Coherent atomic matter waves]] |Verlag=[[École de Physique des Houches|Les Houches – Ecole d’Ete de Physique Theorique]] |Band=72 |Datum=2002-07-30 |DOI=10.1007/3-540-45338-5_7}}
* {{Literatur |Autor=Thomas Haas |Titel=Reale photonische Kristalle: Grundlagen, Berechnungsmethoden und Anwendungen |Verlag=WDM Verlag Dr. Müller |Ort=Saarbrücken |Datum=2008 |ISBN=978-3-639-01844-8}}
* {{Literatur |Autor=Christiane Helen Becker |Titel=Experimente zur Nichtlinearen Optik Photonischer Kristalle |Verlag=Cuvillier |Ort=Göttingen |Datum=2006 |ISBN=978-3-86727-093-9 |Online={{Google Buch |BuchID=_tshNdhHzxUC}}}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Photonic crystals|Photonischer Kristall|audio=0|video=0}}
* {{Internetquelle
|autor=Steven G. Johnson
|url=http://ab-initio.mit.edu/photons/tutorial/
|titel=Photonic Crystals – Vorlesungssammlung
|sprache=en
|abruf=2024-05-25}}
* {{Literatur
|Autor= [[Eli Yablonovitch]]
|Titel=Photonische Kristalle: Halbleiter für Lichtstrahlen
|Sammelwerk=[[Spektrum der Wissenschaft]]
|Datum= 2002-04-01
|Online=https://www.spektrum.de/magazin/halbleiter-fuer-lichtstrahlen/828594}}
* {{Literatur
|Autor= [[Rainer Scharf]]
|Titel=Photonische Kristalle – Optische Materialien für das 21. Jahrhundert
|Datum= 2003-07-01
|Online=https://pro-physik.de/nachrichten/photonische-kristalle-optische-materialien-fuer-das-21-jahrhundert}}
* {{Internetquelle
|autor=Wolfgang Vogel
|url=https://www.int.uni-stuttgart.de/forschung/photonik/photonische-kristalle/
|titel=Photonische Kristalle
|hrsg=Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik Stuttgart
|sprache=de
|abruf=2024-06-29}}
* {{Literatur
|Autor= Michael Foos
|Titel=Photonische Kristalle als MWIR-Filter eröffnen neue Anwendungsbereiche
|Sammelwerk=Spectrum
|Nummer=159
|Datum= 2020-10
|Online=https://qd-europe.com/de/de/neuigkeiten/produkt-und-anwendungsneuigkeiten-spectrum/photonische-kristalle-als-mwir-filter-eroeffnen-neue-anwendungsbereiche/}}

== Einzelnachweise ==
<references />
{{Normdaten|TYP=s|GND=4587112-7|LCCN=sh2005005546}}

[[Kategorie:Kristallographie]]
[[Kategorie:Optik]]
[[Kategorie:Photonik]]
[[Kategorie:Nanowerkstoff]]

Photonischer Kristall - Versionsgeschichte

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