Study of the wavelength dependent light localization in 3D chirped photonic structures

Optical properties of photonic crystals have emerged as being pivotal in the field of nanophotonics. Their artificial periodicity can alter and create new effective dispersion relations compared to bulk materials, allowing us to control the flow of light and light-matter interactions. Specifically, the enhancement of the electromagnetic field obtained either at the surface or inside the nanostructure is very important for applications in optical sensing or light emission. In particular, it is known that by gradually varying the period of the PhC in the direction of propagation of light, a process known as chirping the samples, different wavelengths are localised at different positions in the crystal. This wavelength dependant light localisation has been demonstrated numerically in one and two dimensions in the literature, but there has been little work done to study the phenomenon in three dimensions and experimentally. This project has studied the wavelength dependent localisation of light in chirped woodpile PhC samples in the visible and infrared, both from a numerical and experimental point of view. In the end, a qualitative match between simulations and experiments has been obtained. These structures, in combination with different types of absorptive materials placed at the surface or at particular positions inside the structure target application in sensing.
Las propiedades ópticas de cristales fotónicos han resultado ser clave en el campo de la nano-fotónica. Su periodicidad, creadas artificialmente, nos permite diseñar nuevas relaciones de dispersión efectivas, imposibles de obtener en materiales convencionales. Esto nos permite controlar el flujo de luz y las interacciones luz-materia. Concretamente, la amplificación del campo electromagnético en la superficie o dentro de la estructura manométrica es crucial en aplicaciones relacionadas con sensores ópticos y emisión de luz. En particular, se sabe que variando gradualmente el periodo de los cristales en la dirección de propagación de la luz, un proceso conocido como añadir "chirp" en los cristales, diferentes longitudes de onda se localizan en diferentes posiciones dentro de los cristales. Esta localización en función de la longitud de onda se ha estudiado sobre todo numéricamente en cristales de una o dos dimensiones, sin embargo, pocos estudios han estudiado el fenómeno de manera experimental o en cristales tridimensionales. Específicamente este proyecto se ha centrado en la caracterización de cristales "woodpile" en el visible y en el infrarrojo, tanto experimental como numéricamente. Finalmente, se ha llegado a una relación cualitativa entre simulaciones y experimentos. Creemos que estas estructuras, combinadas con diferentes tipos de materiales absorbentes situados en la superficie o en posiciones concretas dentro de los cristales, pueden tener aplicaciones en sensores.
Les propietats òptiques dels cristalls fotònics han resultat ser clau en el camp de la nano-fotònica. La seva periodicitat, creada artificialment, ens permet dissenyar noves relacions de dispersió efectives, impossibles d'obtenir en materials convencionals. Això ens permet controlar el flux de llum i les interaccions llum-matèria. Concretament, l'amplificació del camp electromagnètic a la superfície o dins l'estructura nanomètrica és crucial en aplicacions relacionades amb sensors òptics i emissió de llum. En particular, se sap que fent variar gradualment el període dels cristalls en la direcció de propagació de la llum, procés conegut com a afegir "chirp" als cristalls, diferents longituds d'ona es localitzen a diferents posicions dins els cristalls. Aquesta localització en funció de la longitud d'ona ha estat comprovada numèricament en cristalls d'una o dues dimensions, però pocs estudis han estat fets de cara a estudiar el fenomen experimentalment o cristalls tridimensionals. Aquest projecte s'ha centrat en la caracterització de cristalls woodpile en el visible i l'infraroig, tan experimental com numèricament. Finalment, s'ha aconseguit arribar a una relació qualitativa entre simulacions i experiments. Creiem que aquestes estructures, combinades amb diferents tipus de materials absorbents situats a la superfície o en posicions concretes dins els cristalls tenen potencials aplicacions com a sensors.