Скрученный фотонный кристалл позволил управлять волноводными резонансами

Американские физики исследовали прохождение микроволнового излучения через скрученный бислой фотоннокристаллических пластин. Они показали, что при таких условиях частью волноводных резонансов можно управлять. Это будет полезно для включения и выключения связи между падающей и волноводной модами в широком спектре практических приложений. Исследование опубликовано в Science Advances.

Волноводный резонанс (guided-mode resonance) — это явление, возникающее при падении света на пленку с периодической модуляцией показателя преломления (фотонный кристалл). Наличие периодичности способствует сильному связыванию падающей волны с волноводной модой внутри пленки за счет дифракции и, в конечном итоге, усилению взаимодействия света и вещества. Этот эффект используется при создании сенсоров, светодиодов, лазеров, а также во множестве других приложений.

Важная особенность волноводного резонанса — его зависимость от угла падения и длины волны, что используется для включения и выключения эффекта. Тем не менее, физики продолжают поиск способов иного контроля связи между модами, поскольку не все практические приложения позволяют изменять угол между падающим лучом и образцом.

Для решения этой проблемы Бэй Чэн Лоу (Beicheng Lou) и его коллеги из Стэнфордского университета обратились к достижениям скрученной фотоники. Эта молодая область изучает многослойные оптические материалы, чьи слои повернуты под углом друг к другу. Авторы остановили свой выбор на прохождении излучения через пару фотоннокристаллических слоев, повернутых друг относительно друга. Оказалось, что в такой схеме можно управлять волноводным резонансом, меняя угол скручивания.

Для возникновения волноводного резонанса требуется согласование между частотами и волновыми векторами (точнее, их проекциями в плоскости слоя) падающей моды и модами в слое. Пластины из фотонных кристаллов подходят для этого очень хорошо, поскольку зависимость частоты от волнового вектора в них (дисперсионные соотношения) имеет периодический вид. Это обуславливает богатую резонансную структуру соответствующих спектров пропускания.

Так, простой анализ на основе сложения векторов в обратном пространстве показывает, что резонансы, соответствующие нулевым порядкам дифракции не должны зависеть от угла скручивания в двуслойной структуре. Взаимодействие же ненулевых порядков должно приводить к зависимости частоты волноводного резонанса от обратного вектора муаровой решетки и, следовательно, от угла скручивания.

Чтобы увидеть этот эффект в эксперименте, физики пропускали микроволновое излучение с сантиметровой длиной волны через бислой алюминиевых дифракционных решеток с периодом 0,64 сантиметра. Алюминиевые стержни диаметром 0,17 сантиметра были закреплены в 3D-печатной раме. Одна из рамок была неподвижной, другая — свободно вращалась в диапазоне углов от 0 до 90 градусов. Для борьбы с множественными отражениями авторы ориентировали бислой под углом 26,6 градуса к падающей волне.

Измеряя спектры пропускания под различными углами, ученые следили, как меняются частоты резонансов по мере увеличения скручивания (резонансу соответствует провал в спектре). Эксперименты подтвердили существование как стабильных, так и зависящих от угла резонансов. Авторы сопроводили эксперимент моделированием в рамках строгого метода связанных волн. Расчеты оказались в хорошем согласии с результатами эксперимента, хотя теория предсказывала больше различных резонансов. Физики связали это с тем, что размер решеток был недостаточно большим, чтобы приближение бесконечного фотонного кристалла, использованное в расчетах, было достаточно точным.

На исследование оптических материалов со скрученными слоями ученых вдохновили успехи, которых достигли их коллеги, работающие со скрученным графеном. Подробнее об этом читайте в материале «Точно закручено». Акустика также развивается в этом направлении. Мы уже рассказывали, как скрученный акустический метаматериал заставил звук преломляться отрицательно.