В Университете ИТМО экспериментально испытали принцип работы нового типа резонаторов

Физики из Университета ИТМО, Института Иоффе и Австралийского национального университета исследовали новый механизм создания резонаторов с высокой добротностью. Он основан на взаимном разрушении двух низкодобротных состояний в одном резонаторе и позволяет надежно «запирать» свет в структурах из различных материалов даже на мелких масштабах. Теоретические результаты работы были подтверждены экспериментально. Они могут стать основой новых миниатюрных устройств: чувствительных сенсоров, оптических фильтров и нелинейных источников света. Результаты опубликованы в SPIE Advanced Photonics.

Резонансы Фано возникают при взаимодействии двух волн с определенными соотношениями амплитуды и фазы, например, при рассеянии электромагнитного излучения. Они активно исследуются и широко применяются для создания резонаторов – устройств, усиливающих электромагнитный сигнал. Два основных параметра этих резонансов, определяющих ширину пика и его асимметрию, обычно считались независимыми друг от друга и настраивались отдельно так, чтобы добиться максимальной добротности. Эта характеристика резонатора показывает, как хорошо он удерживает и усиливает излучение.

Однако ученые Университета ИТМО показали, что параметры резонансов связаны между собой: когда резонансный пик в спектре рассеянного излучения становится симметричным, его ширина становится минимальной, а добротность ‒ максимальной. Это происходит при изменении размеров резонатора из-за того, что в нем возникает необычное взаимодействие нескольких состояний или мод. Физики связали это явление с недавно предложенным механизмом реализации резонаторов с гигантской добротностью. Преимущество механизма в том, что он работает на малых масштабах для широкого класса материалов.

Кирилл Кошелев
Кирилл Кошелев

«Обычно, чтобы создать высокодобротный резонанс, нужно свет запереть где-то при помощи хороших зеркал, среды с высоким преломлением, из которой свету будет сложно выйти. Ранее мы описали новый механизм запирания света. Он основан на том, что две низкодобротные моды, в каждой из которых свет держится плохо, в какой-то момент создают состояние с очень высокой добротностью. Минус на минус дает плюс. А в этой работе провели эксперименты и более глубоко проработали теорию», – объясняет Кирилл Кошелев.

Безэховая камера
Безэховая камера

Ученые впервые показали экспериментально, что такое взаимодействие резонансов возможно. Эксперимент проводили в радиочастотных волнах с использованием цилиндрического сосуда. Сосуд по капле наполняли водой, так что высота столба постоянно менялась. При этом при помощи специального датчика отслеживали добротность и положение резонансов.

«Работа началась с теории: Кирилл Кошелев доказал, что высокая добротность всегда сопровождается симметричной формой резонанса. Эти результаты затем подтвердили в эксперименте Полина Капитанова и Михаил Рыбин. Мы работаем над практическим применением этих резонаторов. Недавно мы предложили нелинейный преобразователь частоты света на основе дисковых резонаторов с большой добротностью. Сейчас мы продолжаем эксперименты на других материалах. Кроме того, наши результаты используются для создания чувствительных компактных сенсоров. Над ними сейчас работает Алексей Слобожанюк», – добавляет Андрей Богданов.

Андрей Богданов
Андрей Богданов

Работа была поддержана грантом РНФ №17-12-01581. Результаты опубликованы в новом журнале SPIE Advanced Photonics. Статья была отмечена специальным комментарием редакции.

Статья: Bound states in the continuum and Fano resonances in the strong mode coupling regime. Andrey A. Bogdanov et al. SPIE Advanced Photonics, 28 January 2019.

Центр научной коммуникации
Архив по годам:
Пресс-служба