Красноярские ученые впервые разработали фотонно-кристаллический микрорезонатор с жидкокристаллическим слоем, способность которого удерживать свет зависит от температуры. Он может послужить основой для создания оптического температурного сенсора. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E.
Фотонно-кристаллический микрорезонатор с жидкокристаллическим слоем. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Оптические температурные сенсоры используются в различных измерительных приборах и устройствах контроля в автомобильной и химической промышленности, нефтегазовом секторе, других сферах. Они используются для контроля температуры при химических процессах, обнаружения протечек в трубопроводах, термического контроля силовых кабелей, для обеспечения пожарной безопасности и безопасной работы промышленных установок.
Учёные ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из СФУ использовали концепцию связанных состояний в континууме для создания оптического датчика температуры из фотонно-кристаллического микрорезонатора. Такой микрорезонатор состоит из жидкокристаллического слоя, расположенного между двумя одномерными фотонными кристаллами из чередующихся слоев нитрида кремния и диоксида кремния.
«Мы предложили новую модель оптического температурного сенсора на основе микрорезонатора и реализовали её экспериментально. В нашем микрорезонаторе фотонные кристаллы выступают как зеркала, а слой жидкого кристалла – как резонаторный слой. Когда свет находится между зеркалами, в слое жидкого кристалла реализуются так называемые микрорезонаторные моды. Чтобы детектировать температуру, мы использовали спектральные особенности локализованных мод», — рассказал Алексей Краснов, лаборант Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
При прохождении света через микрорезонатор в спектрах пропускания наблюдаются провалы. Такой провал называется резонансной линией, или резонансом, и имеет две основные характеристики: спектральное положение и ширину. Обычно для сенсорных приложений используют изменение положения резонанса при изменении температуры. Ученые впервые предложили использовать для измерения температуры вторую характеристику – ширину резонансной линии. Используя концепцию связанных состояний в континууме, им удалось реализовать управление шириной резонансных линий при нагревании образца.
«Связанное состояние в континууме – это свет, который “не покидает” микрорезонатор. Изменение температуры жидкого кристалла приводит к разрушению связанного состояния. В результате свет выходит через зеркала, что проявляется в изменении спектральной ширины соответствующего резонанса. Стоит отметить, что для оптического диапазона электромагнитных волн температурное управление шириной спектральных линий на основе связанных состояний в континууме было реализовано впервые», — объяснил результат работы кандидат физико-математических наук научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Павел Панкин.
Устройство может быть использовано для измерения и калибровки температуры.
Исследование поддержано Российским научным фондом (№22-22-00687).
Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»