Shaping of light beams with photonic crystals : spatial filtering, beam collimation and focusing

Abstract

The research developed in the framework of this PhD thesis is a theoretical, numerical and experimental study of light beam shaping (spatial filtering, beam collimation and focusing) in the visible frequency range using photonic crystal structures. Photonic crystals (PhCs) are materials with periodic, spatially modulated refractive index on the wavelength scale. They are primarily known for their chromatic dispersion properties. However, they can also modify the spatial dispersion, which allows managing the spatial properties of the monochromatic light beams. In the first part of my thesis we experimentally show that particular spatial dispersion modification in PhCs can lead to spatial (angular) filtering of light beams. The study is focused on the spatial filtering efficiency improvement by introducing chirp (the variation of longitudinal period of the structure) in the crystal structure. Additionally, to enhance the effect, we consider different geometries and materials. The work presented in this PhD thesis brings closer to reality the creation of a new generation spatial filters for micro-photonic circuits and micro-devices. The second part of the study is devoted to the theoretical, numerical and experimental analysis of the formation of negative spatial dispersion in PhCs, which gives rise to collimation and focusing effects behind the PhCs. The ideas developed in my PhD also work in lossy systems, in particular in metallic PhCs. The simulation results for metallic PhCs are presented, in which both effects- spatial filtering and beam focusing, are shown.

La recerca desenvolupada en el marc d'aquesta tesi doctoral és un estudi teòric, numèric i experimental de la modificació de la forma de feixos de llum (filtratge espacial, col·limació i focalització) en el rang visible de freqüències utilitzant estructures de cristall fotònic. Els cristalls fotònics (CFs) són materials amb una modulació periòdica de l'índex de refracció en l'escala de la longitud d'ona, i són principalment coneguts per les seves propietats relacionades amb la dispersió temporal. Tot i això, la dispersió espacial també pot ser modificada mitjançant CFs, fet que permet controlar les propietats espacials de feixos monocromàtics de llum. En la primera part de la tesi, mostrem experimentalment el fet que certes modificacions de la dispersió espacial en CFs poden donar lloc a filtratge espacial (angular) de feixos de llum. L'estudi es focalitza en la millora de l'eficiència del filtratge espacial mitjançant la introducció de "chirp" (la variació del període longitudinal de l'estructura) en el CF. A més, per tal d'incrementar l'efecte considerem diferents estructures i materials. El treball presentat en aquesta tesi doctoral acosta a la realitat la creació d'una nova generació de filtres espacials per a circuits micro-fotònics i micro-dispositius. La segona part d'aquest estudi se centra en l'anàlisi teòric, numèric i experimental de la formació de dispersió espacial negativa en CFs, la gual dóna lloc a efectes de col·limació i focalització un cop travessat el CF. Les idees desenvolupades en aquesta tesi doctoral també són aplicables a sistemes amb pèrdues, en particular a CFs metàl·lics. Els resultats de les simulacions mostren l'existència d'ambdós efectes, filtratge espacial i focalització, en CFs metàl·lics.