Красноярские ученые впервые экспериментально зафиксировали и теоретически объяснили эффект, при котором фотоннокристаллический микрорезонатор, обычно отражающий свет, под действием электрического напряжения становится полностью прозрачным. Открытие открывает путь к созданию новых энергоэффективных фотонных устройств для телекоммуникаций, дисплеев и сенсоров.
«Ловушка для света», созданная красноярскими учеными
Современные технологии все чаще заменяют электрические сигналы световыми – в системах связи, вычислениях, сенсорах. Это требует компактных и эффективных элементов для управления светом. Однако существующие решения нередко оказываются дорогими, технологически сложными и энергозатратными, что сдерживает их внедрение.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН обнаружили и объяснили явление, названное «индуцированной напряжением прозрачностью» в фотоннокристаллическом микрорезонаторе. Обычно такой резонатор «захватывает» и удерживает свет, но при подаче электрического напряжения кардинально меняет оптические свойства: свет проходит сквозь него без отражения.
Таким образом, устройство по команде превращается из непрозрачного зеркала в прозрачное «окно».
Микрорезонатор представляет собой оптический «сэндвич»: два одномерных фотонных кристалла (многослойных зеркала) ограничивают тонкий слой жидкого кристалла. В штатном режиме структура отражает свет с поперечной поляризацией при определенном угле падения, но пропускает – с продольной, формируя резонансную «ловушку» для волн определенной длины.
При подаче напряжения молекулы жидкого кристалла изменяют ориентацию, что приводит к исчезновению резонансов в спектре прохождения: устройство становится прозрачным, как обычное стекло.
Теоретическая модель показала, что эффект обусловлен существованием в микрорезонаторе пары особых оптических резонансов. Один из них излучает свет только в одну сторону, но возбуждается при освещении с обеих сторон, другой возбуждается лишь с одной стороны, но излучает в обе. При приложении напряжения второй резонанс не возбуждается вовсе, а излучение первого интерферирует с падающей волной так, что отражение подавляется полностью – структура становится «невидимой» в определенном диапазоне длин 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.
Добавим, что результаты экспериментальной части работы опубликованы в журнале Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications, теоретической – в Optics Letters. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-12-20007).
Фото: КНЦ СО РАН