2015年5月4日

光波操縱師─神奇的光子晶體

有沒有能夠抓住光, 卻不消滅光子的方法? 光子晶體不僅能讓光轉彎, 還能讓動物展現美麗的色彩!

作者/欒丕綱(清華大學物理博士,中央大學光電系副教授。研究專長為光子晶體,聲子晶體,以及超穎材料)

1980年代時,人類對於光的認識已經很深入。那時人們已懂得使用透鏡組件,藉由改變折射率與介質表面的特定形狀以控制光線的傳播方向,如使用望遠鏡觀察宇宙,製作顯微鏡觀察微生物。

人們知道單一頻率的光通過雙狹縫會有干涉現象,而光波通過小尺度的物體會產生繞射與散射。利用光從「密介質(折射率大的介質)」傳向「疏介質(折射率小的介質)」,入射角大於「臨界角」時會發生的全反射現象,可以設計出波束分離器(beam splitter)、波導(waveguide), 與光纖。利用光是電磁波的事實,可以藉著控制光的偏振與相位做出光學波片(wave plate)、濾波器,以及調制器 (modulator)。利用量子力學與半導體物理的知識,人們知道如何操控光子與原子的交互作用,製造出所需要的雷射以供進一步應用。

以上這些控制手段似乎缺少了什麼?仔細觀察,會發現這些對光的控制手段可歸納為以下幾種:(一)控制光的傳播方向,(二)控制光的傳播區域/ 範圍,( 三) 控制光的強度,(四)控制光波的相位與偏振,(五)控制光的相位一致性以及傳播方向的準確度。以上這些控制手段的共同特色就是「不能阻止光的傳播」。雖然光子可以被原子吸收或放射出來,但若試圖阻止光的傳播,那麼光子只能藉著被材料吸收而消失,轉換為其他能量,例如熱能。......【更多內容請閱讀科學月刊第545期】

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