Ученые усовершенствовали фотонный кристалл для фильтрации света
/www.sib-science.info/
/www.sib-science.info/
Ученые Института физики им. Л. В. Киренского Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) совместно с коллегами из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Сибирского федерального университета предложили и экспериментально продемонстрировали новый способ формирования структуры фотонного кристалла с улучшенными спектральными характеристиками. Это позволит упростить и удешевить многие оптические устройства, заменив несколько светофильтров одним оптическим элементом. Результаты работы опубликованы в журнале Optics Letters.
Периодичность играет важную роль в окружающем мире. Например, изменчивый цвет крыла бабочки или перламутровая окраска морских раковин определяются периодическим строением их покровных слоев. Подобные структуры с переливчатой окраской существуют не только в живой природе. Полудрагоценный камень опал с самых древних времен очаровывал людей своим изумительным блеском. Для наблюдения таких эффектов необходимо периодическое изменение показателя преломления света (величина, показывающая, насколько световая волна медленнее распространяется в среде по сравнению со скоростью света в вакууме) на поверхности или внутри вещества. Причем масштаб изменений показателя преломления должен быть сопоставим с длиной волны света. Структуры, обладающие такими свойствами, называют фотонными кристаллами.
Обычно фотонный кристалл формируют путем многократного чередования двух типов слоев, отличающихся показателями преломления. Значения показателей преломления и толщины чередующихся слоев подбирают так, чтобы кристалл не пропускал свет в определенном диапазоне длин волн. Этот диапазон длин волн называют фотонной запрещенной зоной. На основе таких кристаллов созданы многослойные диэлектрические зеркала и интерференционные фильтры для выделения одних длин волн и подавления (фильтрации) других. Зеркала и фильтры используют в оптических и спектральных приборах, измерительной и диагностирующей аппаратуре, лазерной, проекционной и осветительной технике.
Исследователи Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН вместе с коллегами предложили новый способ формирования фотонных кристаллов методом «суперпозиции модуляции». Суть метода заключается в формировании пространственной решетки фотонного кристалла путем сложения нескольких гармонических функций (колебаний). Для этого в качестве исходного материала ученые используют поликристаллический кремний и методом электрохимического травления придают ему пористость, варьируя ее от одного слоя к другому. Чтобы сделать кремний прозрачным, структуру отжигают в печи при высокой температуре, окисляя кремний до кварца.
В результате кривая пропускания света полученного фотонного кристалла содержит несколько независимых фотонных запрещенных зон. С помощью такой структуры ученые получают более широкие возможности для спектральной фильтрации света. Все вещества при нагревании имеют характерные спектры электромагнитного излучения, по которым их можно обнаружить и идентифицировать с помощью спектральной аппаратуры даже в крайне малых концентрациях. Для этого используется спектральный анализ, суть которого состоит в разложении света в частотный спектр и измерения интенсивности отдельных линий в нем. Недостатком спектральной аппаратуры являются достаточно большие габариты и ее дороговизна. В ряде случаев требуются достаточно простые, дешевые и компактные устройства для обнаружения и идентификации определенных веществ. Обычно для этих целей используют комбинацию из нескольких оптических фильтров для выделения интересующих спектральных линий или узких спектральных полос.
«Предложенный нашей группой способ позволяет заменить комбинацию нескольких фильтров всего одним элементом. В результате, снижаются потери света на оптических элементах. Устройство становится легче, компактнее и дешевле. Это обеспечивает широкие возможности интегрирования элементов в существующие устройства, в том числе в различные гаджеты и смартфоны, рынок которых постоянно растет, а функционал расширяется», — рассказал заместитель директора Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Вьюнышев.
Работа поддержана совместным грантом Российского фонда фундаментальных исследований и Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности.
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН