CC BY
124
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
УДК 623.451
ФОТОННАЯ СТРУЯ С ЭФФЕКТОМ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, заведующий кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Предложен новый тип фотонной струи со свойствами двулучепреломления на основе фотонного кристалла. Приведенные результаты позволяют говорить о новом направлении в исследовании интригующих свойств метаматериалов и фотонных кристаллов, на основе которых формируются фотонные струи. Фотоннокристаллические свойства и двулучепреломление рассмотренного оптического элемента обусловлены эффектами локальных электрических полей, которые проявляются при распространении света в такой диэлектрически неоднородной структуре. Рассмотрены возможные области применения обнаруженного эффекта.
Ключевые слова: фотонная струя, эффект двулучепреломления.
PHOTONIC JET WITH BIREFRINGENT EFFECT BASED ON PHOTONIC CRYSTAL
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof., Department of Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Prof., Department of Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
We have introduced a novel type of photonic crystal aided photonic jet with birefringent properties. Our results suggest novel directions in the study of the intriguing properties of metamaterials and photonic crystals aided photonic jets. Birefringence and photonic crystal aided properties of considered the optical element due to the effect of local electric fields localizations, which are shown in the propagation of light in a dielectrically inhomogeneous structure. Possible fields of application of the observed effect are discussed.
Key words: photonic jet, birefringent effect.
Эффект двулучепреломления [1, 2] впервые был обнаружен датским ученым Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата и связан с явлени-
117
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
ем двойной рефракции или поляризационной зависимостью показателя преломления в среде. Обычно в литературе термин «двулучепреломление» связан с двумя различными понятиями. В классической оптике под двулучепреломлением обычно понимается двойная рефракция. В лазерных системах и технологиях и в нелинейной оптике (а также в зарубежной литературе) под двулучепреломлением обычно понимается свойство некоторых неизотропных материалов, чей показатель преломления зависит от направления поляризации (от направления электрического поля). Данное свойство делает такой материал способным обладать эффектом двойного преломления непосредственно после падения на него неполяризованного излучения.
Из уравнений Максвелла для материальной среды следует, что фазовая скорость света в среде обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости е среды. В некоторых материалах диэлектрическая проницаемость - тензорная величина - зависит от направления электрического вектора, то есть от состояния поляризации волны, поэтому и фазовая скорость волны будет зависеть от ее поляризации.
Согласно классической теории света, возникновение эффекта связано с тем, что переменное электромагнитное поле света заставляет колебаться электроны вещества, и эти колебания влияют на распространение света в среде, а в некоторых веществах заставить электроны колебаться проще в выделенных направлениях.
Двулучепреломление и связанные с ними оптические эффекты играют важную роль в квантовых и нелинейных процессах, а также широко используются в современных оптических приборах, таких как оптические датчики, датчиках на основе эффекта Фарадея [3], модуляторах, жидкокристаллических дисплеях, для медицинской диагностики и т. п.
Отличительная особенность фотонных кристаллов заключается в наличии пространственно периодического изменения показателя преломления в одном или нескольких пространственных направлениях. Для двумерных фотонных кристаллов эффект двулучепреломления связан с разностью эффективной диэлектрической проницаемости двух ортогональных поляризационных мод. Известно, что для двумерных волноводов на основе фотонных кристаллов величина двулучепреломления (разность эффективных показателей преломления) достигает значений ~0,07 и ~0,1 для квадратных и треугольных решеток (матрица цилиндрических отверстий в материалах с высоким показателем преломления) соответственно [4].
В наших экспериментах фотонный кристалл состоял из матрицы 10 х 10 стержней с высоким показателем преломления. Образующаяся в этом случае среда обладает высокой анизотропией эффективного показателя преломления. Геометрические размеры фотонного кристалла и эффективный показатель преломления выбирался в соответствии с результатами работ [5, 6]. Результаты вычислительного эксперимента приведены на рис. 1. Из рис. 1 очевидно, что для ТМ-моды (рис. 1, б) область максимальной интенсивности поля вдоль фо-
118
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
тонной струи находится вблизи теневой поверхности кристалла (на расстоянии порядка половины длины волны), а для ТЕ-моды (рис. 1, а) - непосредственно на теневой поверхности фотонного кристалла. Кроме того, протяженность фотонной струи также существенно различается для разных мод излучения. Это позволяет осуществить избирательную субволновую фокусировку и ее пространственное разделение на разных поляризациях. Кроме того, этот достаточно простой результат может быть интересным, учитывая сложности производства двулучепреломляющей фокусирующей линзы.
а) б)
Рис. 1. Формирование фотонной струи для ТЕ- (а) и ТМ- (б) мод излучения
Таким образом, плоский кубический мезоразмерный метаматериал, характеризуемый тензорами эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, обладает свойством различной рефракции либо для ТЕ-, либо для ТМ-поляризованных волн, либо для обеих поляризаций одновременно, что делает возможным селективную субволновую фокусировку и пространственную сепарацию излучения в различных поляризациях.
При этом величина двулучепреломления достигает значений, значительно превышающих двулучепреломление естественных кристаллов, например исландского шпата (An = 0,172). Следует сказать, что фотонно-кристаллические свойства и двулучепреломление рассмотренного оптического элемента обусловлены эффектами локальных электрических полей, которые проявляются при распространении света в такой диэлектрически неоднородной структуре [7].
Кроме того, следует отметить, что возможность формирования фотонных струй с поляризационно зависимыми фокусирующими свойствами в литературе до сих пор не рассматривалась [8, 9].
Фокусирующие элементы и системы с эффектом двулучепреломления могут найти широкое применение, например, для контроля волокон древесины
119
Вестник СГУГиТ, вып. 3 (31), 2015
в диапазоне частот 0,1-0,6 ТГц [10] (эффект двулучепреломления вызван разницей показателей преломления волокон древесины в направлениях, параллельном и перпендикулярном вектору напряженности электрического поля), в различных датчиках, в которых для направления и фокусировки излучения применяется линза из двулучепреломляющего материала, в геодезических системах для дальней оптической локации, связи, в лидарах, светодальномерах, где линза из двулучепреломляющего материала и вращателя плоскости поляризации вносит в пучок с обращенным волновым фронтом дополнительную кривизну и согласует апертуру пучка со световыми диаметрами оптических элементов формирующего оптического телескопа [11], и т.п.
Среди фотонных устройств, использующих рассмотренное явление, на наш взгляд, перспективны следующие направления:
• низкопороговые лазеры сверхмалых размеров;
• фотонные интегральные схемы с высокой степенью интеграции на основе планарных и трехмерных фокусирующих элементов;
• миниатюрные мезоразмерные спектральные фильтры, в том числе перестраиваемые;
• устройства обработки оптических сигналов. Особо следует отметить направление создания сверхбольших объемно интегрированных комплексов фотонных и электронных устройств для обработки информации.
Примеры, приведенные выше, ясно показывают, что фотонные струи (фокусирующие устройства) на основе двулучепреломляющих метаматериалов (фотонных кристаллов) являются новыми объектами со многими необычными свойствами и, что более важно, они могут продемонстрировать гораздо более широкий спектр возможных применений, в сравнении с изотропными метаматериалами. Хотя двулучепреломленная фотонная струя еще не реализована экспериментально, мы считаем, что идеи и результаты, представленные здесь, вполне реальны, и будем инициировать значительные усилия в создании метаматериалов с существенно двулучепреломленными свойствами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ландсберг Г. С. Оптика. - М., 2004.
2. Фофанов Я. А. Методы и приборы для количественного анализа структурного двулучепреломления материалов и веществ // Научное приборостроение. - 1999. - T. 9, № 3. -С. 104-110.
3. Флора С. А., Чесноков В. В. Микромеханический преобразователь с электрополевым управлением // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 5. - С. 47-49.
4. Zhang W., Liu J., Huang W.-P., Zhao W. Birefringence and formed birefringence in photonic crystal line waveguides, Proc. SPIE 7516: 751603 (2009).
5. Pacheco-Pena V., Beruete M., Minin I. V., Minin O. V. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, PP.084102-084105 (2014).
6. Минин И. В., Минин О. В., Харитошин Н. А. Формирование фотонных тераструй от диэлектрических частиц, не обладающих осевой симметрией формы // Вестник СГГА. -2014. - Вып. 4 (28). - C. 102-111.
120
Оптика, оптико-электронные приборы и комплексы
7. Minin I. V., Minin O. V. Effect of EM strong localization in photonic crystal // Сб. трудов 3-й международной школы «Фотоника нано- и микроструктур» (ФНМС 2015), Томск, ТУСУР, 7-11 сентября 2015 г. - 2015. - С. 33.
8. Photonic Nanojets / A. Heifetz, S.-C. Kong, A. V. Sahakian, A. Taflove, and V. Backman // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009. v.6. P. 1979-1984.
9. Minin I. V., Minin O. V. and Geintz Y. E. Localized EM and photonic jets from nonspherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP). 2015. v. 527, No. 7-8. P. 491-497.
10. Todoruk T. M., Hartley I. D., Reid M. W. Origin of birefringence in wood at terahertz frequencies // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - 2012. - Vol. 2, № 1. -P. 123-130.
11. Патент РФ 2083039, H01S3/02 / В. Г. Бородин, С. В. Красов, С. Л. Потапов, А. В. Чарухчев, В. Н. Веснин. опубл. 27.06.1997 г.
Получено 12.08.2015
© И. В. Минин, О. В. Минин, 2015
121
