Dispersjonsengineering

Dispersjonsengineering, også kalt dispersjonsteknikk, er et tverrfaglig felt som handler om å designe og kontrollere spredningen av bølger i et medium eller en struktur. Målet er å påvirke hvordan frekvenser varierer med bølgelengde og retning, slik at gruppe- og fasefart kan styres. Feltet gjelder primært optiske og akustiske bølger, men prinsippene gjelder også elastodynamiske og elektromagnetiske systemer.

Tilnærminger og verktøy inkluderer periodiske strukturer som fotoniske krystaller (photonic crystals) og metamaterialer, samt bølgeledere og flerlagsstrukturer. Dispersionen i slike systemer styres i stor grad av geometriske parametere og materialegenskaper. Analytiske og numeriske metoder som Bloch-analyse, homogenisering, FDTD og finite element-metoder brukes sammen med optimalisering og invers design for å finne ønskede dispersjonsforhold.

Vanlige applikasjoner omfatter dispersion management i fiberoptiske kommunikasjonsnettverk, utvikling av slow- eller fast-light enheter, bredbåndsfiltrering og ultrafast optikk, samt bildebehandling, sensing og akustisk filtrering i materialer og strukturer. I akustikk brukes dispersjonsdesign for å kontrollere frekvens- og tidsrespons i ulike medier.

Utfordringer inkluderer tap, material- og fabrikasjonsgrenser som gjør bredbåndsløsninger kostbare. Ikke-lineariteter, temperaturavhengighet og dispersion i flere modaliteter kan komplisere designprosesser og kreve avanserte modeller.

Eksempler på praksisløsninger inkluderer dispersion-compensating fiber med optiske gratinger, chirpede Bragg-gratinger, fotoniske krystallbølgeledere med tilpasset gruppe-velocity dispersion og akustiske metamaterialer som gir kontroll over lydspredning og respons.