الاستقطاب

الاستقطاب هو نظام وسيط بين الفوتونيات والإلكترونيات دون الميكروويف (انظر الشكل 1). في هذا النظام، يتم حمل الإشارات بواسطة خليط من الموجات الكهرومغناطيسية والاهتزازية الشبكية المعروفة باسم الفونون - بولاريتونات ، بدلاً من التيارات أو الفوتونات . نظرًا لأن الفونون-بولاريتونات تنتشر بترددات في نطاق مئات الجيجاهيرتز إلى عدة تيراهرتز ، فإن الاستقطاب يسد الفجوة بين الإلكترونيات والفوتونيات. الدافع المقنع للاستقطاب هو الطلب على معالجة الإشارات عالية السرعة والتحليل الطيفي الخطي وغير الخطي للتيراهرتز . تتمتع الاستقطاب بمزايا واضحة على الإلكترونيات والفوتونيات والتحليل الطيفي للتيراهرتز التقليدي من حيث أنها توفر إمكانية إنشاء منصة متكاملة بالكامل تدعم توليد موجات التيراهيرتز والتوجيه والتلاعب بها وقراءتها في مادة ذات نمط واحد.

تتطلب الاستقطابات، مثل الإلكترونيات والفوتونيات، ثلاثة عناصر: توليد موجة قوية، والكشف، والتوجيه والتحكم. وبدون هذه العناصر الثلاثة، ستتقلص الاستقطابات إلى مجرد فونونات-بولاريتونات، تمامًا كما ستتقلص الإلكترونيات والفوتونيات إلى مجرد إشعاع كهرومغناطيسي. ويمكن الجمع بين هذه العناصر الثلاثة لتمكين وظائف الأجهزة على نحو مماثل لتلك الموجودة في الإلكترونيات والفوتونيات.

ولتوضيح وظائف الأجهزة الاستقطابية، فلنتأمل الدائرة الافتراضية في الشكل 2 (على اليمين). تدخل نبضات الإثارة الضوئية التي تولد الفونون-بولاريتونات، في أعلى اليسار وأسفل اليمين من البلورة، عموديًا على وجه البلورة (إلى الصفحة). وسوف تنتقل الفونون-بولاريتونات الناتجة جانبيًا بعيدًا عن مناطق الإثارة. ويتم تسهيل الدخول إلى الموجهات الموجية من خلال هياكل عاكسة ومركزة. ويتم توجيه الفونون-بولاريتونات عبر الدائرة بواسطة الموجهات الموجية ذات التردد تيراهرتز المنحوتة في البلورة. وتكمن وظائف الدائرة في بنية مقياس التداخل في الأعلى وبنية الموجهات الموجية المقترنة في أسفل الدائرة. وتستخدم الأخيرة بنية فجوة نطاق فوتونية بها عيب (باللون الأصفر) يمكن أن توفر ثباتًا ثنائيًا للموجه الموجية المقترن.

تنتشر الفونونات-بولاريتونات المتولدة في البلورات الكهروضوئية بشكل جانبي تقريبًا إلى نبضة الإثارة بسبب الثوابت العازلة العالية للبلورات الكهروضوئية ، مما يسهل فصل الفونونات-بولاريتونات بسهولة عن نبضات الإثارة التي ولدتها. وبالتالي، تكون الفونونات-بولاريتونات متاحة للمراقبة المباشرة، فضلاً عن التلاعب المتماسك، حيث تنتقل من منطقة الإثارة إلى أجزاء أخرى من البلورة. الانتشار الجانبي أمر بالغ الأهمية لمنصة الاستقطاب التي يحدث فيها التوليد والانتشار في بلورة واحدة. يكشف العلاج الكامل لاستجابة موجة التيراهيرتز الشبيهة بإشعاع شيرينكوف أنه بشكل عام، يوجد أيضًا مكون انتشار أمامي يجب مراعاته في العديد من الحالات.

أصبح من الممكن المراقبة المباشرة لانتشار الفونون-بولاريتون من خلال التصوير في الفضاء الحقيقي، حيث يتم تصوير الملفات المكانية والزمانية للفونون-بولاريتون على كاميرا CCD باستخدام تحويل الطور إلى السعة من Talbot. كان هذا في حد ذاته اختراقًا غير عادي. كانت هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصوير الموجات الكهرومغناطيسية مباشرة، حيث ظهرت مثل التموجات في بركة عندما تتساقط صخرة عبر سطح الماء (انظر الشكل 3). التصوير في الفضاء الحقيقي هو تقنية الكشف المفضلة في البولاريتونيات، على الرغم من أن التقنيات الأخرى الأكثر تقليدية مثل بوابات كير الضوئية، والحيود المحدد زمنيًا ، والفحص التداخلي، وتوليد التوافقيات الثانية المستحثة بحقل تيراهرتز مفيدة في بعض التطبيقات حيث لا يتم استخدام التصوير في الفضاء الحقيقي بسهولة. على سبيل المثال، تتسبب المواد المنقوشة ذات أحجام الميزات في حدود بضع عشرات من الميكرومتر في تشتت طفيلي لضوء التصوير. ومن ثم فإن الكشف عن الفونون-بولاريتون لا يمكن أن يكون ممكنا إلا من خلال تركيز مسبار أكثر تقليدية، مثل تلك التي ذكرناها من قبل، في منطقة غير ملوثة من البلورة.

العنصر الأخير المطلوب للبولاريتونيات هو التوجيه والتحكم. يتم تحقيق الانتشار الجانبي الكامل الموازي لمستوى البلورة عن طريق توليد بولاريتونات الفونون في بلورات ذات سمك من رتبة طول موجة بولاريتون الفونون. هذا يجبر الانتشار على الحدوث في واحد أو أكثر من أوضاع الموجات اللوح المتاحة. ومع ذلك، يمكن أن يكون التشتت في هذه الأوضاع مختلفًا جذريًا عن الانتشار الشامل، ومن أجل استغلال هذا، يجب فهم التشتت.

يمكن أيضًا تحقيق التحكم والتوجيه لانتشار الفونون-بولاريتون من خلال الموجات الموجهة والعناصر العاكسة والحيودية والتشتتية، بالإضافة إلى بلورات المؤشر الفوتوني والفعال التي يمكن دمجها مباشرة في البلورة المضيفة. ومع ذلك، فإن نيوبات الليثيوم وتنتالات الليثيوم والبيروفسكايتات الأخرى غير منفذة للتقنيات القياسية لأنماط المواد. في الواقع، فإن المادة الوحيدة المعروفة بأنها ناجحة بشكل هامشي هي حمض الهيدروفلوريك (HF)، الذي يحفر ببطء وبشكل أساسي في اتجاه المحور البصري للبلورة.

تُستخدم المعالجة الدقيقة بالليزر الفيمتوثانية في تصنيع الأجهزة عن طريق طحن فتحات "الهواء" و/أو الأخاديد في بلورات كهربائية حديدية عن طريق توجيهها عبر منطقة التركيز لشعاع ليزر الفيمتوثانية. وقد تم توثيق مزايا المعالجة الدقيقة بالليزر الفيمتوثانية لمجموعة واسعة من المواد جيدًا. ^[1] باختصار، يتم إنشاء الإلكترونات الحرة داخل تركيز الشعاع من خلال إثارة متعددة الفوتونات . نظرًا لأن شدة الذروة لنبضة ليزر الفيمتوثانية أعلى بعدة أوامر من حيث الحجم من شدة نبضات الليزر الأطول أو الليزر الموجي المستمر، فإن الإلكترونات تثار بسرعة، وتُسخن لتكوين بلازما كمية . وخاصة في المواد العازلة، يؤدي عدم الاستقرار الكهروستاتيكي، الناجم عن البلازما ، للأيونات الشبكية المتبقية إلى طرد هذه الأيونات وبالتالي استئصال المادة، ^[2] مما يترك فراغًا ماديًا في منطقة تركيز الليزر. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن مدة النبضة ومقاييس وقت الاستئصال أسرع كثيرًا من وقت المعالجة الحرارية ، فإن المعالجة الدقيقة بالليزر الفيمتوثانية لا تعاني من التأثيرات الضارة لمنطقة متأثرة بالحرارة، مثل التشقق والذوبان في المناطق المجاورة لمنطقة الضرر المقصودة. ^[3]

• الالكترونيات
• الفوتونيات
• بولاريتون
• الإلكترونيات الدورانية
• ليزر البولاريتون

• Feurer, T.; Stoyanov, Nikolay S.; Ward, David W.; Vaughan, Joshua C.; Statz, Eric R.; Nelson, Keith A. (2007). "Terahertz Polaritonics". المراجعة السنوية لأبحاث المواد . 37 (1). المراجعات السنوية : 317– 350. Bibcode :2007AnRMS..37..317F. doi :10.1146/annurev.matsci.37.052506.084327. ISSN  1531-7331. S2CID  33353438.
• Ward, DW; Statz, ER; Nelson, KA (2006-10-07). "تصنيع الهياكل القطبية في LiNbO3 _و LiTaO3 _{باستخدام} المعالجة بالليزر فيمتوثانية". Applied Physics A. 86 ( 1). Springer Science and Business Media LLC: 49– 54. doi :10.1007/s00339-006-3721-y. ISSN  0947-8396. S2CID  96281166.
• ديفيد دبليو وارد: الاستقطاب: نظام وسيط بين الإلكترونيات والفوتونيات، أطروحة دكتوراه، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 2005. هذا هو المرجع الرئيسي لهذه المقالة.
• وارد، ديفيد دبليو؛ ستاتز، إيريك آر؛ نيلسون، كيث إيه؛ روث، رايان إم؛ أوسجود، ريتشارد إم (2005-01-10). "توليد وانتشار موجات تيراهرتز في نيوبات الليثيوم الرقيقة المنتجة عن طريق تقطيع أيونات البلورة". رسائل الفيزياء التطبيقية . 86 (2). دار النشر AIP: 022908. رمز Bibcode : 2005ApPhL..86b2908W. doi : 10.1063/1.1850185 . ISSN  0003-6951.
• وارد، ديفيد دبليو؛ بيرز، جايمي دي؛ فيورر، تي؛ ستاتز، إيريك آر؛ ستويانوف، نيكولاي إس؛ نيلسون، كيث إيه (15 نوفمبر 2004). "التحكم المتماسك في الفونون-بولاريتونات في مرنان تيراهرتز مصنوع باستخدام معالجة بالليزر فيمتوثانية". رسائل البصريات . 29 (22). الجمعية البصرية: 2671–3 . رمز Bibcode :2004OptL...29.2671W. doi :10.1364/ol.29.002671. ISSN  0146-9592. PMID  15552680.
• Feurer, T.; Vaughan, Joshua C.; Nelson, Keith A. (2003-01-17). "التحكم المتماسك المكاني الزمني للموجات الاهتزازية الشبكية". مجلة العلوم . 299 (5605). الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم (AAAS): 374– 377. رمز Bibcode :2003Sci...299..374F. doi :10.1126/science.1078726. ISSN  0036-8075. PMID  12532012. S2CID  19627306.
• Stoyanov, Nikolay S.; Feurer, T.; Ward, David W.; Nelson, Keith A. (2003-02-03). "Integrated diffractive terahertz elements". Applied Physics Letters . 82 (5). AIP Publishing: 674– 676. Bibcode :2003ApPhL..82..674S. doi :10.1063/1.1540241. ISSN  0003-6951.
• Stoyanov, Nikolay S.; Ward, David W.; Feurer, Thomas; Nelson, Keith A. (2002-09-02). "انتشار البولاريتون تيراهرتز في المواد المنقوشة". Nature Materials . 1 (2). Springer Nature: 95– 98. Bibcode :2002NatMa...1...95S. doi :10.1038/nmat725. ISSN  1476-1122. PMID  12618821. S2CID  9066991.

• مجموعة الأبحاث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا التي اخترعت البولاريتونيات.