Управляемая прозрачность: ученые заставили «ловушку для света» стать «невидимой»
Красноярские физики впервые экспериментально обнаружили и теоретически объяснили феномен, при котором с помощью электрического напряжения можно сделать фотоннокристаллический микрорезонатор, который обычно отражает свет, полностью прозрачным. Открытие поможет создавать новые энергоэффективные устройства фотоники для телекоммуникаций, дисплеев и сенсорики. Результаты экспериментального этапа исследований опубликованы в журнале Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications, теоретического — в журнале Optics Letters.
Современные технологии всё активнее переходят на использование света вместо электрических сигналов — в системах связи, вычислениях и сенсорах. Это требует компактных и эффективных устройств для управления светом. Ключевой проблемой остаётся создание элементов, которые решают эту задачу. Существующие решения часто оказываются дорогостоящими, сложным в изготовлении и энергозатратными, что ограничивает их применение в перспективных технологиях.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН впервые экспериментально обнаружили и объяснили уникальное явление — «индуцированную напряжением прозрачность» в фотоннокристаллическом микрорезонаторе. Исследователи показали, что микрорезонатор, который обычно «захватывает» и удерживает свет, под действием электрического напряжения радикально меняет свои свойства, позволяя световой волне проходить сквозь себя, словно его там нет. Проще говоря, физики нашли способ сделать оптический элемент, который по команде электрического напряжения превращается из непрозрачного зеркала в прозрачное «окно» для света. Это открытие поможет создавать новые компактные и энергоэффективные устройства фотоники для телекоммуникаций, дисплеев и сенсорики.
Микрорезонатор, с которым работали исследователи, — это оптический «сэндвич». Он состоит из двух многослойных зеркал — одномерных фотонных кристаллов — между которыми помещён тонкий слой жидкого кристалла. Обычно такое устройство свет не пропускает, а отражает при помощи зеркальных слоев. При определенном угле падения эти зеркала отражают свет с одной поляризацией, где колебания идут поперек плоскости падения, но пропускают свет с другой поляризацией — параллельной. В итоге микрорезонатор работает как «ловушка для света» — он удерживает волны определенной длины, не давая им пройти насквозь.
Но исследователи обнаружили, что все меняется, стоит подать электрическое напряжение на слой жидкого кристалла. Под действием электрического поля молекулы жидкого кристалла меняют ориентацию, и это влияет на прохождение света. Все резонансы в спектрах исчезают, и микрорезонатор становится прозрачным: свет свободно проходит через него, как через стекло.
Чтобы объяснить это явление, учёные построили теоретическую модель и выяснили, что прозрачность наступает из-за существования внутри микрорезонатора особой пары оптических резонансов. Один из них излучает свет только в одну сторону, но может возбуждаться при освещении с обеих сторон, а другой, напротив, возбуждается лишь при освещении с одной стороны, но излучает в обе. Второй резонанс возбудить не удается вовсе, а излучение первого резонанса складывается с остальным светом таким образом, что отражение подавляется, как будто резонатора вовсе нет. По сути, это новый способ управлять светом, позволяющий делать сложную оптическую систему «невидимой» для определённого диапазона волн.
«Это прекрасный пример того, как можно управлять светом в открытых системах. Результаты могут найти применение в нескольких ключевых направлениях. В области сенсорики резкое изменение ширины резонансной линии можно использовать для высокочувствительного детектирования примесей в жидкостях или изменения температуры. Быстрое электрическое управление прозрачностью и резонансными свойствами структуры позволит создавать элементы для систем оптической связи и обработки информации. Управление добротностью резонатора критически важно для создания перестраиваемых лазеров и устройств управления световым пучком. Эффект изменения прозрачности и цвета проходящего света может быть использован в энергоэффективных дисплеях нового поколения и стеклах с регулируемыми свойствами. Также важно, что предложенная структура не требует сложных и дорогостоящих технологий и может быть изготовлена с использованием хорошо освоенных технологий производства жидкокристаллических ячеек», — отмечает Павел Панкин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 24-12-20007).
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Разместила: Наталья Сафронова