Исследователи описали оптический резонатор с бесконечной добротностью

Учёным из Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН» удалось описать связанное состояние в континууме типа Фабри-Перо. Результаты исследования https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.245403 в журнале Physical Review B.

В работе физиков теоретически исследована структура, состоящая из фотонного кристалла с двумя анизотропными дефектами. Фотонный кристалл – это периодическая структура, которая создает запрещенные зоны для распространения определенных частот электромагнитных волн, то есть свет с определенной частотой не может пройти через такую структуру. В исследуемой модели чередуются изотропный и анизотропный слои. Изотропный слой обладает одинаковыми оптическими свойствами во всех направлениях. Анизотропный обладает разными оптическими свойствами в разных направлениях. Это означает, что оптический показатель преломления материала зависит от направления распространения света в нем. Модель содержит два утолщённых анизотропных слоя, выполняющих роль дефектов в фотонном кристалле. На каждом дефектном утолщенном слое локализуется световое поле, то есть свет, попадающий в фотонный кристалл, может некоторое время задерживаться в дефектах. Каждый такой дефект может быть рассмотрен как оптический резонатор.

Добротность – это параметр резонатора, который характеризует его способность сохранять энергию света внутри себя. Чем дольше свет находится в резонаторе, тем выше добротность резонатора. Связанное состояние в континууме – это бесконечно добротное состояние света в резонаторе. В статье исследовано особое связанное состояние в континууме типа Фабри-Перо. Резонатор Фабри-Перо, исследованный ещё в XIX веке - это простейший резонатор, состоящий из двух параллельных зеркал, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга. Эти зеркала являются частично прозрачными, чтобы свет мог проходить через них. Когда свет попадает в резонатор, он многократно отражается между зеркалами и задерживается в нём.

«В предложенной структуре два анизотропных дефекта играют роль подобных зеркал и удерживают световое поле в пространстве между ними. Отодвигая дефекты друг от друга, мы меняли время перетекания света из одного дефекта в другой. Мы подобрали расстояние между дефектами таким образом, чтобы световые волны, вытекающие из них, интерферировали: складывались в противофазе, таким образом мешая выйти друг другу. Если световые волны не могут выйти из резонатора, то он обладает теоретически бесконечной добротностью», - рассказал один из авторов работы, магистрант СФУ Степан Наболь.

«В реальных резонаторах добротность ограничена материальными потерями, то есть, поглощением света в веществе резонатора, и поэтому не может быть бесконечной. Тем не менее, когда реализуется связанное состояние в континууме, добротность резонатора принимает максимально возможное значение. Если резонатор обладает высокой добротностью, то устройства на его основе демонстрируют улучшенные характеристики. В настоящее время на основе связанных состояний в континууме предложено множество устройств фотоники, например, лазеры, волноводы и сенсоры. Обозначенная в работе теоретическая модель сейчас применяется нами при создании реальных прототипов оптических резонаторов с управляемой добротностью», – резюмировал научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ, научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Павел Панкин.