Миниатюрный резонатор продлил жизнь света

Ученые разработали суперрезонатор для удержания света, обладающий размерами в несколько сотен раз меньше толщины человеческого волоса и геометрией простого цилиндра. Свет в такой структуре остается на порядок дольше, чем в обычных резонаторах. Увеличенное время жизни света в суперрезонаторе, наряду с простой формой и компактностью, делают это устройство перспективной основой для создания мощных миниатюрных лазеров, детекторов и передающих антенн. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.

Physical Review Letters

При создании антенн, датчиков и лазеров одна из важнейших задач ‒ удержать свет внутри системы. Сегодня для этого используются резонаторы, основанные на металлах и диэлектриках. Ключевым параметром таких устройств является продолжительность жизни света в системе или время, за которое световая волна успевает погаснуть. Так как у металлов есть свободные электроны, резонаторы на их основе не могут избежать потерь энергии и удержать свет надолго, что ограничивает возможности лазеров и других устройств.

Исследователи из Университета ИТМО, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе и Центра нелинейной физики Австралийского национального университета обнаружили новый способ повышения эффективности резонаторов. Этого можно добиться, если создать структуру, в которой при попадании света будут возникать две волны одной частоты, но разной фазы. В таком случае возникает деструктивная интерференция, которая будет гасить вытекающие световые волны и блокировать угасание света в системе.

Суперрезонатор
Суперрезонатор

«В обычных резонаторах попавший свет со временем рассеивается из-за поглощения материалов или излучения вовне. Однако когда возникает деструктивная интерференция, излучение становится невозможным, и мы можем надолго запереть свет внутри резонатора. Такое явление на языке физики называется связанные состояния в континууме», ‒ объясняет Михаил Рыбин, старший научный сотрудник кафедры фотоники диэлектриков и полупроводников Университета ИТМО.

Полная реализация режима связанных состояний в континууме теоретически возможна для бесконечно длинного резонатора из материала, не поглощающего энергию. Создать бесконечный резонатор невозможно, однако ученым удалось приблизиться к идеалу. Они смогли выявить параметры резонатора, при которых время жизни света совпадает со значениями, предсказанными для бесконечной модели. Это происходит до тех пор, пока не вступают в силу ограничения, связанные с конечностью структуры и поглощением материала.

Михаил Рыбин
Михаил Рыбин

«Наш суперрезонатор не позволяет навсегда поймать свет, так как не обладает идеальным интерференционным гашением. Тем не менее, утечка энергии вовне подавляется довольно эффективно, поэтому мы можем удерживать свет в десять раз эффективнее, чем обычные резонаторы сопоставимых размеров», ‒ говорит Михаил Рыбин.

Такой эффект наблюдается в простом кремниевом цилиндре с определенным отношением радиуса к длине. Размер такого цилиндра составляет четыреста нанометров, что меньше длины волны видимого света. По словам авторов, компактность суперрезонатора позволит создавать миниатюрные лазеры на микрочипах и оптические сенсоры с высокой точностью.

Юрий Кившарь
Юрий Кившарь

«Для работы лазера нужно, чтобы свет многократно проходил через один и тот же атом. Чем лучше работает резонатор, тем меньше нужно излучающих свет атомов. А чем меньше его размеры, тем больше источников света можно разместить на оптическом чипе. Сами лазеры станут мощнее, а технология их создания проще. То же самое касается различных антенн и  сенсоров, ‒  отмечает Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета. ‒  Среди других применений визуализация клеточных процессов и даже ночное зрение. Мы можем покрыть стекло очков наночастицами с таким суперрезонатором, усилить свет и сделать мир видимым в темноте».

Статья: «High-Q supercavity modes in subwavelength dielectric resonators» M. Rybin et al. Physical Review Letters. Dec. 14, 2017

Центр научной коммуникации
Персоны
  • Юрий Кившарь

    Главный научный сотрудник физико-технического факультета, руководитель международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета

Архив по годам:
Пресс-служба