Сделаем со светом все, что угодно

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 самымпревращают 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.

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.

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.

"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