Физики СФУ узнали, как поймать и удержать световую волну для целей медицины
Возможность создания лазера на основе особого состояния света вблизи поверхности слоистой анизотропной среды, покрытой жидким кристаллом, для расширения возможностей миниатюрных лазеров обосновали ученые Сибирского федерального университета (СФУ) в составе международного научного коллектива, 26 апреля сообщила пресс-служба СФУ.
С этими целями учеными была создана численная модель подобного устройства, на которой они продемонстрировали, как можно эффективно изменять положение светового пятна и оптимизировать его спектральные свойства. Результаты работы были опубликованы в статье журнала «Nanomaterials».
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 рассказал:
«В предложенном устройстве в результате множественных переотражений закрученный световой волчок запирается на границе между двумя различными зеркалами. Первое зеркало — холестерический жидкий кристалл (кристалл со спиральными молекулами, в которых отсутствует центральная симметрия — прим. ИА Красная Весна)». Благодаря такой структуре, поляризацию световой волны в нем можно закрутить, как волчок, пояснил Ветров.
В качестве второго зеркала предлагается взять структуру, не меняющую знак поляризации падающего на него света. «Например, слоистую структуру, напоминающую торт „Наполеон“, сложенный из одинаковых одноосных диэлектрических слоев, которые чередуются так, что оптическая ось каждого последующего слоя повернута на угол 90° относительно оси предыдущего», — продолжил объяснение руководитель исследования.
Такой «торт» может быть создан из сильноанизотропных полимеров, а если на его поверхность нанести холестерический жидкий кристалл, то на границе такой структуры возможно возникновение уникального долгоживущего «запертого» состояния света. Оно может не затухать на протяжении пикосекунды, при этом свет успевает совершить около тысячи колебаний.
«В таком случае можно сказать, что показатель качества структуры, ее добротность, составляет порядка тысячи. Такой световой „волчок“ получил имя хиральное оптическое таммовское состояние», — уточнил Ветров.
Для получения лазера на основе хирального оптического таммовского состояния исследователи предложили гибридное зеркало, состоящее из небольшого числа диэлектрических слоев и металл-диэлектрической метаповерхности, состоящей из массива прямоугольных золотых нанокирпичей.
Нанокирпичи длиной 190 нм, шириной 70 нм и толщиной 70 нм располагаются на 100-нанометровом слое диоксида кремния SiO₂, нанесенного на отражающую золотую пластинку толщиной 200 нм. При этом нанокирпичи развернуты на 45° относительно ориентации жидкого кристалла.
Доцент кафедры физики СФУ Наталья Рудакова пояснила, что, если наши привычные зеркала отражают не весь видимый свет — по ГОСТу опускается поглощение или рассеивание ими до четверти световой энергии, — то предложенное учеными гибридное зеркало отражает 90% света с заданной поляризацией, сохраняя высокую добротность структуры.
«Рассчитываем, что использование метаповерхностей и различных типов зеркал для получения высокодобротного хирального оптического таммовского состояния увеличит возможности для оптимизации и управления, а наши исследования помогут со временем создать новые типы миниатюрных лазеров с „закрученным“ световым пучком», — заключила Наталья Рудакова.
Такие лазеры найдут свое применение в медицине и квантовых технологиях, считают разработчики, в состав которых, кроме ученых СФУ, вошли ученые Киренского Института физики Федерального исследовательского центра КНЦ СО РАН, Красноярск и Института визуализации и биомедицинской фотоники Национального университета Ян Мин Цзяодун, Тайвань.
