Исследователи разработали действенную конструкцию фотонного кристалла, включающую функциональный элемент, расположенный под углом к волноводу. Полученная структура позволяет фокусировать свет в области, сопоставимой с длиной волны излучения.
Иногда ученым и инженерам требуется фокусировка света в небольшом объеме. Это необходимо для повышения эффективности оптических приборов, уменьшения их габаритов и прогресса в области квантовых вычислений. В идеале, исследователи стремятся к тому, чтобы концентрировать свет с помощью компактного устройства в область, соизмеримую с длиной волны этого света.
Ранее для фокусировки света применялись два основных метода: использование оптических резонаторов или волноводов, которые позволяют сжать световой поток. Первый из них основан на принципе резонанса, при котором физические размеры устройства точно подобраны, чтобы усиливать одну точно выбранную длину волны. Второй работает по методу оптической линзы, но требует большого размера устройства.
Физики из международной группы разработали инновационный способ фокусировки света в микроскопических масштабах. Основой новой методики стала топология физической системы. Для концентрации света исследователи применяют фотонные кристаллы. Предложенный ими подход эффективен в более широком спектре длин волн, чем другие существующие методы. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
«Фотонные кристаллы представляют собой кремниевые пластины с регулярно повторяющимся узором, состоящим из микроскопических отверстий, которые обычно блокируют прохождение света через материал. Однако, если расположить два таких кристалла с зеркально отраженными узорами рядом друг с другом, на их границе формируется волновод, позволяющий свету распространяться только вдоль этой границы. Ключевая особенность конструкции заключается в том, что световое проведение „топологически защищено“: дефекты материала не приводят к рассеянию и отражению света. — Так пояснил один из авторов исследования Даниэль Мёйс ( Daniel Muis).
В ходе эксперимента было установлено, что при резком прекращении волновода непроницаемой стеной свет не может пройти сконцентрировать излучение.
Свет не может проникнуть сквозь материал, а отражение вблизи ограничителя подавляется. Это приводит к накоплению света перед барьером. Со временем излучение все же отскакивает назад по волноводу, но с задержкой. Это и приводит к локальному усилению светового поля.
Увеличение интенсивности света в конце топологического волновода возможно лишь при определенном угле наклона «стены» относительно волновода. Это свидетельствует о том, что усиление света обусловлено подавлением обратного отражения посредством топологических свойств. Разработанное устройство обеспечивает фокусировку света в небольшом объеме, сравнимом с длиной волны самого света.
Указанный учеными механизм может быть использован и для других типов волн, распространяющихся в упорядоченных средах, например, для звуковых волн или даже электроны в определенных кристаллах.
«Изучение временного интервала накопления света может быть продолжено применением импульсного лазера. Это позволит оценить предел возможного усиления поля и использовать его для управления светом в оптических чипах, — заключил Мёйс.