Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
The influence of structural defects on the optical properties of synthetic opals 

Yevchik A., Moiseyenko V. and Dergachov M.

Download this article

Abstract. We demonstrate the influence of structural defects present in opals on the Bragg reflection, the fluorescence and the Raman spectra. Based on the real opal structure, the relative ordering parameter is suggested as a criterion of sample quality. A 1D model of a periodic layered structure containing the defects typical for the synthetic opals is developed. Using a comparison of experimental and simulated reflection spectra, we show that the model can be brought closer to the real conditions if the elastic multiple scattering is taken into account within the model. To study the influence of defects on the spontaneous emission and the inelastic scattering, we have measured the fluorescence spectra of the dye R6G and the Raman spectra of Bi12SiO20 incorporated in the synthetic opal. Amplification of both the fluorescence intensity for R6G and the Raman intensity for Bi12SiO20 is observed for synthetic opal templates..

Keywords: synthetic opals, structural defects, relative ordering parameter, R6G, amplification of optical spectra, light localization, multiple elastic scattering

PACS: 78.67.±n, 78.20.Bh
UDC: 535.3+538.9
Ukr. J. Phys. Opt. 16 24-31
doi: 10.3116/16091833/16/1/24/2015
Received: 10.12.2014

Анотація. Досліджено вплив дефектів структури опалів на спектри брегівського відбивання, флюоресценції та комбінаційного розсіяння світла. Спираючись на структуру реальних опалів, запропоновано відносний параметр упорядкованості як критерій якості зразків. Розроблено одновимірну модель періодичної шаруватої структури, що включає типові для синтетичних опалів дефекти. На підставі порівняння експериментальних і розрахованих спектрів брегівського відбивання показано, що модель може стати більш наближеною до реальних умов, якщо врахувати інтерференцію світла в об’ємі опала в умовах багатократного пружного розсіювання. Для вивчення впливу дефектів структури на спонтанне випромінювання, а також на процеси непружного розсіювання світла виміряно спектри флуоресценції барвника R6G і спектри комбінаційного розсіювання світла активного діелектрика Bi12SiO20 у порах синтетичного опалу. Виявлено ефекти підсилення інтенсивності смуг у спектрах флюоресценції R6G і спектрах комбінаційного розсіювання світла Bi12SiO20, якщо порівнювати зі спектрами цих речовин у вільному стані.
REFERENCES
  1. Sinitskii A, Knot'ko A and Tretyakov Yu, 2004. Silica photonic crystals: synthesis and optical properties. Sol. State Ion. 172: 477–479. doi:10.1016/j.ssi.2004.01.048
  2. Vlasov Y, Bo X, Sturm J and Norris D, 2001. On-chip natural assembly of silicon photonic bandgap crystals. Nature. 414: 289–293. doi:10.1038/35104529
  3. García-Santamaría F and Braun P, 2007. Are artificial opals non-close-packed fcc structures? App. Phys. Lett. 90: 241905-1–241905-3. doi:10.1063/1.2748305
  4. Joannopoulos J, Villeneuve P and Fan S, 1997. Photonic crystals: putting a new twist on light. Nature. 386: 143–149. doi:10.1038/386143a0
  5. Sinitskii A, Abramova V, Laptinskaya T and Tretyakov Yu, 2007. Domain mapping of in-verse photonic crystals by laser diffraction. Phys. Lett. A. 366: 516–522. doi:10.1016/j.physleta.2007.02.075
  6. Baryshev A, Kaplyanskii A, Kosobukin V, Limonov M, Samusev K and Usvyat D, 2003. Bragg diffraction of light in synthetic opals. Phys. Sol. State. 45: 459–471. doi:10.1134/1.1562231
  7. Kaliteevskii M, Nikolayev V and Abram R, 2005. Eigenstate statistics and optical properties of one-dimensional disordered photonic crystals. Phys. Sol. State. 47: 1948–1957. doi:10.1134/1.2087751
  8. Zheltikov A, Magnitskii S and Tarasishin A, 1999. Localization and channeling of light in defect modes of two-dimensional photonic crystals. JETP Lett. 70: 323–328. doi:10.1134/1.568174
  9. Lončar M, Nedeljković D, Pearsall T, Vučković J, Scherer A, Kuchinsky S and Allan D, 2002. Experimental and theoretical confirmation of Bloch-mode light propagation in planar photonic crystal waveguides. Appl. Phys. Lett. 80: 1689–1691. doi:10.1063/1.1452791
  10. Inoue K and Ohtaka K. Photonic crystals: physics, fabrication and application. Berlin: Springer (2004). doi:10.1007/978-3-540-40032-5
  11. John S, 1987. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Phys. Rev. Lett. 58: 2486–2489. doi:10.1103/PhysRevLett.58.2486
  12. John S, 1991. Localization of light. Phys. Today. 44: 32–40. doi:10.1063/1.881300
  13. Gottardo S, Sapienza R, Garcia P, Blanco A, Wiersma D and López C, 2008. Resonance-driven random lasing. Nature Photon. 2: 429–432. doi:10.1038/nphoton.2008.102
  14. Stöber W, Fink A and Bohn E, 1968. Controlled growth of monodisperse silica spheres in micron size range. J. Coll. Inter. Sci. 26: 62–68. doi:10.1016/0021-9797(68)90272-5
  15. Born M and Wolf E. Principles of optics. Oxford: Pergamon Press (1970).
  16. Yariv A and Yeh P. Optical waves in crystals. New York: Wiley (1984).
  17. Sakoda K Optical properties of photonic crystals, 2nd ed. Heidelberg: Springer (2005).
  18. Joannopoulos J, Johnson S, Winn J and Meade R. Photonic crystals: molding the flow of light. Princeton and Oxford: Princeton University Press (2008).
  19. Gaponenko S. Introduction to nanophotonics. Cambridge: Cambridge University Press (2010).doi:10.1017/CBO9780511750502
  20. Bechger L, Lodahl P and Vos W, 2005. Directional fluorescence spectra of laser dye in opal and inverse opal photonic crystals. J. Phys. Chem. B. 109: 9980–9988. doi:10.1021/jp047489t
  21. Spitsyn A and Glinskii G, 2008. Computation of localized modes in a defect-containing photonic crystal by the method of periodic continuation of solution. Techn. Phys. 53: 602–608. doi:10.1134/S1063784208050125
  22. Moiseyenko V, Dergachov M, Shvachich V and Yevchik A, 2009. The possibility for surface-enhanced Raman scattering and spontaneous parametric down-conversion by globular photonic crystals infiltrated with dielectrics. Ukr. J. Phys. Opt. 10: 201–205. doi:10.3116/16091833/10/4/201/2009
  23. Moiseyenko V and Dergachov M. Quantum optics phenomena in synthetic opal photonic crystals. Quantum optics and laser experiments. Rijeka: InTech (2012).
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics