Сделаем со светом все, что угодно

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета с помощью сверхкоротких световых импульсов научились управлять свойствами оптических материалов, превращая их в «зеркало», меняя пропускающую и преломляющую способность и быстро возвращая в исходное состояние. Результаты исследования могут оказаться особо востребованными в оптоэлектронике
Сделаем со светом все, что угодно
Пространственно-временная динамика разности населенностей среды под действием предельно коротких импульсов
Arkhipov et al. / Optics Letters, 2024

Ученые предложили использовать сверхкороткие световые импульсы — длительностью в 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.

magnifier.png Чтобы быстро управлять режимами подобных переключателей, физики ищут способ менять оптические свойства материалов за миллиардные доли секунды и даже быстрее

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 «останавливать» его. Поэтому, чтобы быстро управлять режимами подобных переключателей, физики ищут способ менять оптические свойства материалов за миллиардные доли секунды и даже быстрее.

Исследователи из СПбГУ предложили использовать сверхкороткие оптические импульсы, длительность которых составляет квадриллионные доли (или 10−15) секунды, чтобы управлять свойствами различных — потенциально любых однородных — сред.

magnifier.png «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»

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.


АРХИПОВ.jpg
Ростислав Архипов на Конгрессе молодых ученых
Р. Архипов

«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 Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics Letters.

По материалам пресс-службы РНФ

Еще по теме:
22.07.2024
Столетие со дня рождения выдающегося нейрофизиолога Натальи Бехтеревой отметили фотовыставкой и публикацией книги о ней
17.07.2024
Миниатюрные фотопреобразователи помогут бесконтактно передавать энергию между космическими аппаратами и наземными объект...
11.07.2024
11 июля 1916 родился выдающийся российский физик Александр Прохоров, лауреат Нобелевской премии по физике за фундаментал...
02.07.2024
Ученые из Петрозаводска изучили феномен белых ночей с точки зрения вреда и пользы для организма и обнаружили, что это во...
Наверх