Сверхкороткие световые импульсы сделали оптически однородный материал «ловцом» света

Ученые предложили использовать сверхкороткие световые импульсы — длительностью квадриллионные доли секунды — для управления оптическими свойствами материалов. Когда такие импульсы сталкиваются, они создают периодические возмущения в окружающей их среде и тем самым превращают ее в своего рода систему зеркал, которые бесконечно перенаправляют друг на друга свет. Потенциально этот эффект можно использовать в микрорезонаторах — устройствах, которые называют «ловушками для света» и применяют в лазерах, сенсорах и фотопоглотителях. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics Letters.

Материалы с управляемыми оптическими свойствами (способностью поглощать, преломлять и отражать свет) с каждым годом становятся все более востребованными. На их основе создают датчики освещения, фотонные микросхемы, оптические переключатели, микрорезонаторы и другие приборы, необходимые, например, в оптоволоконных линиях связи, по которым можно передавать информацию на большие расстояния. В частности, оптические переключатели, работая в двух режимах — условно, «включен» и «выключен», — позволяют то передавать свет по каналу, то его «останавливать». Поэтому, чтобы быстро управлять режимами подобных переключателей, физики ищут способ менять оптические свойства материалов за миллиардные доли секунды и даже быстрее.

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета предложили использовать сверхкороткие оптические импульсы, длительность которых составляет квадриллионные доли (или 10^-15) секунды, чтобы управлять свойствами различных — потенциально любых однородных — сред.

Авторы математически смоделировали прохождение таких импульсов через оптически однородную среду. Согласно предложенному подходу, в среду навстречу друг другу одновременно подаются два сверхкоротких импульса. По мере своего пути они «возмущают» среду, приводя к тому, что в ее атомах меняется населенность квантовых уровней — упрощенно, распределение электронов в оболочке атома. При этом атомы с «обогащенными» и «обедненными» квантовыми уровнями чередуются подобно впадинам и гребням волн на воде. Такие изменения в атомах приводят к тому, что состоящая из них среда изменяет способность пропускать и преломлять свет. В результате получаются «полосы» с разным преломлением, формирующие расположенные параллельно друг другу «зеркала». Попадая на них, свет может «останавливаться».

Предложенный подход в перспективе позволит легко и быстро менять состояние среды: превращать ее в «зеркало», изменять ее пропускающую и преломляющую способность и быстро возвращать в исходное состояние за счет того, что импульсы длятся лишь квадриллионные доли секунды.

«Предлагаемый подход может использоваться при создании микрорезонаторов — устройств для управления светом на микроскопическом уровне, которые востребованы во многих оптоэлектронных устройствах. За счет малой длительности световых импульсов управлять микрорезонатором, работающим по такому принципу, можно будет максимально быстро. В дальнейшем мы планируем детально изучить динамику таких микрорезонаторов под действием предельно коротких световых импульсов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.