Физики Сибирского федерального университета рассказали, как «поймать и удержать» световую волну для пользы медицины и квантовых технологий
Учёные Сибирского федерального университета в составе международного научного коллектива предложили создать лазер на основе особого состояния света вблизи поверхности слоистой анизотропной среды, покрытой жидким кристаллом. Исследователи построили численную модель устройства и показали, как можно эффективно менять локализацию сгустка света и оптимизировать его спектральные свойства. Предполагается, что в дальнейшем это поможет разнообразить возможности существующих миниатюрных лазеров. Статья с результатами работы опубликована в журнале «Nanomaterials».
«В предложенном устройстве в результате множественных переотражений закрученный световой волчок запирается на границе между двумя различными зеркалами. Первое зеркало — холестерический жидкий кристалл. Это структура, которая не обладает зеркальной симметрией оптических свойств, потому что состоит из ориентированных продолговатых молекул, направление которых „закручивается“ в пространстве подобно винтовой спирали, похожей на спираль ДНК. Как раз благодаря этому поляризацию световой волны можно закрутить, как волчок. А в качестве второго зеркала надо взять такую структуру, которая не меняла бы знак поляризации падающего на него света. Например, слоистую структуру, напоминающую торт „Наполеон“, сложенный из одинаковых одноосных диэлектрических слоёв, которые чередуются так, что оптическая ось каждого последующего слоя повернута на угол 90° относительно оси предыдущего», — рассказал руководитель научной группы, профессор кафедры теоретической физики и волновых явлений, ведущий научный сотрудник лаборатории нанотехнологий, спектроскопии и квантовой химии кафедры фотоники и лазерных технологий СФУ Степан Ветров.
Учёные объяснили, что поляризацию можно представить как вектор электрической напряжённости, основание которого находится в освещённой точке, а острый конец колеблется. Если стрелка вращается по кругу, то говорят, что свет обладает круговой поляризацией. Вращение может происходить по (или против) часовой стрелке или, другими словами, по правозакрученной или левозакрученной спирали. В этом случае принято говорить, что свет имеет правую (или левую) круговую поляризацию.
Холестерический жидкий кристалл — это полупрозрачное зеркало, которое сильно отражает свет только в том случае, когда стрелка поляризации вращается по кругу, причём в ту сторону, куда указывают молекулы жидкого кристалла. Полупрозрачность может создать определённую трудность из-за того, что при отражении пучка поляризованного света от обычного металлического зеркала направление вращения вектора напряжённости сохраняется, а направление распространения света меняется на противоположное, превращая правополяризованный свет в левополяризованный, и наоборот.
После такого отражения световую волну сложно запереть: меняя поляризацию, она постоянно «просачивается» из «ловушки» сквозь жидкий кристалл. Именно поэтому как второе зеркало нужно использовать структуру-«многослойник», которая способна сохранять поляризацию и быть анизотропной. Если использовать для создания многослойной структуры современные оптические материалы, такие как сильноанизотропные полимеры, и на поверхность аккуратно нанести холестерический жидкий кристалл, то на границе такой структуры может возникнуть уникальное долгоживущее «запертое» состояние света — оно может не затухать на протяжении пикосекунды, за это время свет успевает совершить примерно тысячу колебаний.
Фото: пресс-служба СФУ