Скаполиты — минералы, которые встречаются в виде больших и прозрачных кристаллов. Специалисты из Института геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН (Иркутск) провели детальное их изучение и обнаружили собственные люминесцентные и радиационные дефекты.

Учёные предполагают, что скаполиты могут быть перспективным материалом для фотоники, в частности, для создания новых, более эффективных устройств и систем. Статья об этой работе опубликована в журнале Chemical Physics Letters.

Скаполит — минерал, относящийся к каркасным алюмосиликатам с дополнительными анионами. Он встречается в виде кристаллов и характеризуется высокой прозрачностью и значительными размерами. Структура скаполита позволяет активировать материал различными примесными ионами, такими как двух- и трёхвалентные ионы переходных металлов, ионы лантаноидов и анион-радикалы. Благодаря этому скаполит по-разному окрашен и бывает зеленовато-жёлтым, розовым, фиолетовым, тёмно-розово-фиолетовым. Минерал также обладает уникальными оптическими свойствами, такими как люминесценция в широком спектральном диапазоне. Это делает его перспективным материалом для использования в фотонике: например, для создания оптических сенсоров, лазеров, светодиодов и других устройств, работающих на основе оптических явлений.

В ходе совместной работы учёных из Иркутска, Института геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого УрО РАН (Екатеринбург) и Института физики твёрдого тела Латвийского университета (Рига, Латвия) было установлено, что скаполиты обладают потенциалом для противостояния радиационному воздействию благодаря своей структуре, образованной кремний-кислородными и алюминий-кислородными тетраэдрами.

Радиационно-наведёнными дефектами в скаполите, вызывающими синюю окраску, являются карбонатные анион-радикалы, которые находятся в полостях, образованных каркасом скаполита. Исследователи установили механизм образования этих дефектов.

«Помимо этого изучалась люминесценция примесных ионов в минерале. Полученные данные о типах примесной люминесценции в скаполите при возбуждении каркаса и внекаркасных комплексов в ходе исследования могут помочь в будущем при создании ультрафиолетовых и рентгеновских сенсоров и люминофоров. Кроме того, его свойства позволяют улучшать характеристики существующих устройств, делая их более эффективными и долговечными», — рассказал старший научный сотрудник Института геохимии СО РАН кандидат физико-математических наук Роман Юрьевич Шендрик.

Важную информацию о собственной люминесценции микропористых материалов и механизмах образования радиационных дефектов можно получить при возбуждении каркаса этих материалов в области вакуумного ультрафиолета. Для этого требуются достаточно яркие источники излучения. Ряд исследований был проведён на синхротроне MAX IV в городе Лунд, Швеция.

Образец скаполита для работы представлял собой синее непрозрачное удлиненное зерно с перламутровым блеском и был предоставлен Минералогическим музеем им. А.В. Сидорова Иркутского национального исследовательского технического университета. Гранулы или песчинки минерала были тщательно отобраны с фрагмента породы, найденной на Слюдянском месторождении, расположеном на южной оконечности озера Байкал. 

Зерна скаполита отполировали, и из них специалисты подготовили тонкие пластины для спектроскопических исследований. Химические анализы, для которых использовался электронный микрозонд, проводились на кристаллах скаполита, погружённых в эпоксидную смолу и покрытых углеродом. 

В промышленности скаполит используется в производстве керамики, стекла, фарфора и эмали. Благодаря своим свойствам он улучшает качество изделий и придает им оригинальный вид.  

В настоящее время проводятся активные исследования по изучению различных аспектов свойств скаполита: оптических, электрических и механических. Ученые также анализируют методы синтеза и обработки минерала, которые позволят создавать устройства и системы с заданными характеристиками.

«Открытие станций фотолюминесценции на синхротронах в России пока не запланировано, но параметры нового ускорителя элементарных частиц ЦКП “Сибирский кольцевой источник фотонов” делают его идеальным кандидатом для таких исследований. Это может привести к значительным успехам в изучении перспективных материалов для фотоники, включая природные соединения», — отметил Роман Шендрик. 

Источник: https://www.sbras.info/

Компания Q-Pixel представила решение, которое может совершить революцию в мире видеоизображений. Новая технология заменяет три субпикселя в каждом пикселе дисплея одним полихромным светодиодом, в основе которого полупроводник из нитрида галлия. Это позволяет достичь разрешения 6800 PPI, что в два раза превышает разрешение гарнитуры виртуальной реальности Apple Vision Pro. Компания утверждает, что производство дисплеев Q-Pixel проще и дешевле, чем производство современных OLED и MicroLED дисплеев.
Изображения на OLED и MicroLED экранах состоят из отдельных элементов, называемых пикселями. Каждый пиксель, в свою очередь, содержит три расположенных рядом микроскопических светодиода — субпиксели. Один из них красный, один зеленый, а один синий. Изменяя интенсивность каждого субпикселя относительно других, можно добиться того, чтобы весь пиксель при восприятии человеческим глазом приобретал любой цвет радуги.
Одно из ограничений этой технологии заключается в том, что каждый пиксель должен быть достаточно большим, чтобы вместить три субпикселя. Из-за этого разрешение экрана не такое высокое, как могло бы быть. Этот недостаток может быть не так критичен для телевизоров или ноутбуков, но становится проблемой для гарнитур виртуальной реальности, где глаза пользователя находятся очень близко к дисплею.
Производство и размещение всех субпикселей в миллионах пикселей, составляющих один дисплей, — это кропотливый и трудоемкий процесс. По этой причине продукты с дисплеями сверхвысокой четкости, как правило, дорогие.
Технология Q-Pixel заменяет три субпикселя одним полихромным светодиодом. В основе этого микроскопического светодиода лежит полупроводник из нитрида галлия, который излучает красный, зеленый или синий свет в зависимости от приложенного напряжения.
Во время демонстрации технологии на ежегодном симпозиуме Общества информационных дисплеев компания Q-Pixel представила, по их словам, цветной дисплей с активной матрицей с самым высоким разрешением в мире. Экран размером примерно 1,1 на 0,55 см (0,4 на 0,2 дюйма) получил разрешение 6800 пикселей на дюйм (PPI), что эквивалентно 3K на 1,5K пикселей.
Q-Pixel заявляет, что процесс сборки их дисплеев гораздо проще, чем сложная и трудоемкая сборка современных OLED и MicroLED дисплеев сверхвысокой четкости. Кроме того, как и другие MicroLED-дисплеи, экраны Q-Pixel, по словам разработчиков, обладают рядом преимуществ: более быстрым временем отклика, высокой яркостью, долгим сроком службы и превосходной энергоэффективностью по сравнению с обычными светодиодами в традиционных дисплеях.
Источник: https://hightech.plus/

Ученые предложили новый метод управления состоянием оптических устройств — они смогли регулировать их мощность с помощью изменения угла падающего света. Таким же способом оптические системы можно быстро включать и выключать, как лампы или электрические приборы. Результаты исследования, которое провели физики из ИТМО и МФТИ в рамках программы Клевер, позволят создавать элементы для оптоэлектронных микроустройств.
Свет в оптических системах выполняет ту же функцию, что и электричество в привычных для нас устройствах. С его помощью можно активировать и контролировать работу оптических цепей (совокупность элементов устройства, по которым передается оптический сигнал). Так, изменяя угол наклона лазерного излучения, ученые ИТМО и МФТИ научились управлять чувствительными к свету и теплу бистабильными системами.
Бистабильные системы — это системы, которые могут находиться при одних и тех же условиях возбуждения в двух различных состояниях: включенном и выключенном. Причем их можно переводить из одного состояния в другое, буквально как лампочку с помощью переключателя. Эти системы работают по принципу памяти: запоминают «предысторию», то есть поступающие из внешней среды данные, а после «воспроизводят» их, что позволяет, например, создавать логические элементы в оптических системах. Однако управлять в них переходом из одного состояния в другое сложно — для этого оптические системы должны обладать специальными свойствами нелинейности.
Ученым удалось реализовать подобный режим работы систем благодаря эффектам их теплового нагрева при облучении лазерным излучением. Режим бистабильности и переключения они достигли за счет уникальных свойств метаповерхностей — ультратонких наноструктурированных пленок толщиной в несколько сот нанометров.
Лазерный луч падает на метаповерхность из кремния и возбуждает ее оптические резонансы (взаимодействие частиц света со средой, в результате которого активизируется их движение внутри системы). Накопленная в системе энергия приводит к нагреву пластины метаповерхности, и таким образом меняется ее показатель преломления. За счет этого система переходит в состояние «включено». «Выключение» происходит при значительном снижении мощности излучения, когда пластина остывает.
Оптические переключатели существовали и раньше. Так, недавнее исследование продемонстрировало рекордно малую оптическую структуру с подобными свойствами. Однако новая разработка на основе метаповерхностей позволяет легко интегрировать ее в любую оптическую или оптоэлектронную систему в качестве элемента так называемой «сверхтонкой оптики».
«Мы хотели сделать переключаемую систему, которую можно использовать как логический элемент в оптических вычислительных устройствах. Механизм работы систем оптического вычисления аналогичен электронным, уставленным в компьютерах, — импульсы света также кодируют данные. Сначала мы кодируем нужную информацию в падающем на метаповерхность луче, метаповерхность производит логические операции, которые после можно считать в отраженном свете. Так можно создавать оптические схемы и комбинировать их в целые устройства», — отмечает Михаил Петров, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Вторая область применения разработки — использование переключателей в фильтрах оптической мощности. По принципу работы они напоминают электрические фильтры, ограничивающие ток в проводах электрической сети. Они есть практически в каждом доме. То же самое происходит и внутри оптических систем: оптические ограничители мощности не позволяют превысить установленную мощность, которая падает на устройство, чтобы не повредить его.
«Теперь нам предстоит понять, как можно наиболее эффективно использовать разработку в нейроморфных компьютерах, которые работают как мозг по принципу нейронной системы. Сейчас нейросети рассчитаны на классические ПК,но их архитектура не совсем подходит для раскрытия всего потенциала искусственного интеллекта. Чтобы увеличить результативность работы нейросетей, нужно запускать их на работающих по схожему механизму устройствах», — говорит о перспективах работы Александр Чернов, руководитель лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ.
Источник: https://naked-science.ru/

Группа ученых из ЮФУ, МГУ и нескольких институтов РАН синтезировала несколько комплексов на основе европия и иттербия, излучающих свет в чрезвычайно узком красном и инфракрасном диапазоне. Материалы на основе этих комплексов могут найти широкое применение в современных технологиях, включая люминесцентные термометры и органические светодиоды (OLED).
На протяжении уже более 20 лет отдел химии координационных соединений Научно-исследовательского института физической и органической химии (НИИ ФОХ ЮФУ) в лице главного научного сотрудника Анатолия Бурлова сотрудничает с учеными кафедры неорганической химии МГУ имени М.В. Ломоносова: доктором химических наук, профессором Кузьминой Н. П. и доктором химических наук, профессором Уточниковой В.В. Основное внимание уделяется синтезу координационных соединений металлов с хелатирующими органическими лигандами и изучению их строения, фото- и электролюминесцентных свойств.
Координационные соединения – это вещества, образованные из органических молекул и солей металлов. В НИИФОХ ЮФУ имеется большой опыт по синтезу органических хелатирующих лигандов и их комплексов с различными металлами.
«Наша группа занимается синтезом органических хелатирующих лигандов и их комплексов с 3d-металлами (медь, никель, кобаль, кадмий, цинк). Среди них особое внимание уделяется координационным соединениям цинка и кадмия, обладающим фото-, электролюминесцентными свойствами, и конструированию на их основе OLED устройств», – рассказал Анатолий Бурлов.
Основным преимуществом OLED по сравнению с неорганическими (LED) является возможность изготовления источников света большой площади, в том числе на гибкой основе. Молекулярный дизайн люминофоров и подбор соотношения компонентов в светоизлучающих слоях OLED-устройств позволяет широко варьировать спектральный диапазон излучения, что делает их идеальными для использования в освещении, дизайне интерьеров, автомобильной промышленности и агрофотонике. Однако важным условием для их внедрения по-прежнему остается снижение себестоимости, повышение энергоэффективности и увеличение срока службы.
Так, в недавнем исследовании, результаты которого опубликованы в издании Optical Materials, группа ученых из МГУ, ЮФУ и нескольких институтов с РАН синтезировала ряд комплексов лантаноидов с ароилгидразонами 2-(N-тозиламино)бензальдегида, среди которых были комплексы европия и иттербия, излучающих свет в красном и инфракрасном диапазонах.
«Синтезированные комплексы европия и иттербия обеспечивали как температурную зависимость люминесценции, так и устойчивость к нагреванию, а также подвижность ионов в электрическом поле. Последнее свойство позволило получить на основе этих комплексов OLED, которые в дальнейшем можно использовать в качестве компонентов дисплеев и биомедицинских приборов. Комплексы европия были получены в качестве источников красного света, а комплексы иттербия – как инфракрасные излучатели», – поделился Анатолий Бурлов.
При этом ученый отметил, что термометры на основе синтезированных комплексов смогут измерять температуру с точностью до десятых долей градуса, что важно для промышленных и научных применений. Например, некоторые соединения могут работать при экстремально низких температурах (от –193°C до –73°C), другие – при высоких (до 400°C). Эти достижения открывают новые перспективы для разработки эффективных и экономически выгодных технологий, способных изменить множество отраслей: от промышленности и медицины и до экологического мониторинга.
Источник: https://naked-science.ru/

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 самым превращают 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.
Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optics Letters.
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 его «останавливать». Поэтому, чтобы быстро управлять режимами подобных переключателей, физики ищут способ менять оптические свойства материалов за миллиардные доли секунды и даже быстрее.
Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета 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, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.
Источник: https://scientificrussia.ru/

Машинное зрение — быстро развивающаяся область робототехники, объединяющая камеры, датчики и алгоритмы в систему получения и анализа изображений. Современные условия требуют, чтобы собранные данные обрабатывались как можно быстрее, а значит, в самом устройстве — в смартфоне, ноутбуке или автомобиле. Для таких граничных вычислений специалисты из Университета Цинхуа (КНР) разработали передовой фотонный чип, который обрабатывает, передает и восстанавливает изображения за наносекунды.
Граничные, или периферийные вычисления сокращают время обработки задачи и позволяют эффективнее использовать сеть, однако даже они происходят недостаточно быстро для современных задач вроде автономного управления транспортом. Миллисекундные задержки в обмене информацией между оптикой и электроникой ограничивают скорость процессов анализа изображений.
Команда ученых из Университета Цинхуа спроектировала чип с оптической параллельно-вычислительной матрицей (optical parallel computational array, OPCA) с матрицей считывания-вычисления и кольцевыми резонаторами. Такая конструкция позволяет фотонному чипу преобразовывать оптическое изображение в двухмерную репрезентацию интенсивности света, которую можно направить в чип при помощи массива микролинз, сообщает IE.
Пропускная способность чипа ORCA — до ста миллиардов пикселей, время отклика — всего шесть наносекунд. Поскольку данные обрабатываются как световые сигналы, исследователи предлагают использовать их для оптической нейронной сети. Она сможет выполнять задачи по классификации, которые обычно решаются на периферии.
«Ввиду того, что каждый сенсорно-вычислительный элемент этого чипа реконфигурируемый, все они могут работать как программируемый нейрон», — пояснил в пресс-релизе Фан Лю, руководитель научной группы.
Источник: https://hightech.plus/

Ученые ИТМО побили свой же рекорд по величине самого компактного в мире нанолазера: им удалось уменьшить размер наночастицы с 310 нанометров до 200 (это в 5 тысяч раз меньше миллиметра!). Установка работает при комнатной температуре, а увидеть излучаемый лазером зеленый свет можно в стандартном оптическом микроскопе. Разработка поможет в создании мельчайших деталей для цифровых микроустройств и приборов для анализа показателей здоровья, а также позволит повысить качество цветопередачи экранов в очках виртуальной реальности.
Нанолазеры — это лазеры, размер которых меньше длины волны света (или фотона — частицы света), излучаемого ими. Как правило, их величина во всех трех пространственных измерениях (длина, высота и ширина) исчисляется в сотнях нанометров. С помощью таких устройств создаются мельчайшие детали для микроэлектродных приборов. К ним относятся не только, например, сложная вычислительная техника для лабораторий, но и медицинские приборы и даже отдельные составляющие игровых приставок. С каждым годом микроэлектроника становится все сложнее и требует создания все более компактных компонентов, однако лишь единичные установки из-за своих ограничений по размерам позволяют производить их.
Ученые ИТМО предложили новые технологии для создания нанолазеров, которые бы соответствовали этим требованиям. Разработка представляет собой наночастицу перовскита (созданный в лаборатории материал с химическим составом CsPbBr3) в форме кубоида. Этот материал изучается в университете с 2017 года. За это время ученым удалось доказать, что он стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), а главное — он лучше всего работает в зеленом спектре.
Долгое время этот диапазон длин волн был наиболее проблемным для создания компактных лазеров, особенно в масштабах производства. Этой части видимого спектра даже дали название green gap («зеленая яма/ пробел»). Однако ученым с помощью перовскита наконец удалось разрешить этот вопрос. Это открыло возможности для еще большей компактизации нанолазера, так как длина волны зеленых фотонов в три раза меньше инфракрасных, используемых в классических микролазерах.
Большую часть экспериментов провели аспиранты ИТМО Михаил Машарин и Дарья Хмелевская, руководил проектом Сергей Макаров, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.
«Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование нового механизма его работы за счет выстраивания сильной связи «свет-вещество». Это помогает значительно снизить порог его «включения». Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света)», — рассказывает Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.
На данном этапе исследований ученым удалось разместить частицу перовскита на металле. Это открывает возможности для создания установки нанолазера, работа которого будет активироваться электричеством, а не светом, как это происходит сейчас. На основе таких сверхкомпактных лазерных диодов с электрической «накачкой» можно будет создавать микропиксели в очках дополненной реальности, медицинских приборах мониторинга состояния человека, а также в многофункциональных оптических чипах.
Работа проводилась в рамках программы «Приоритет 2030».

Источник: https://news.itmo.ru/

Исследователи разрабатывают новый военный «квантовый лазер», способный прорезать туман и работать на больших расстояниях. DARPA (Агентство перспективных исследовательских проектов обороны США) выделило грант в размере 1 миллиона долларов на создание прототипа «квантового фотонного димерного лазера». Эта технология использует квантовую запутанность для объединения световых частиц и генерации высококонцентрированного лазерного луча.
Лазеры играют ключевую роль в военных операциях, спутниковой связи, технологиях наведения, системах картографии и отслеживания, таких как лидар. Обычные лазеры работают за счет стимулирования электронов в атомах, которые осциллируют в унисон. Когда эти электроны переходят из состояния высокой энергии в состояние низкой энергии, они излучают когерентный свет с одинаковой длиной волны и фазой.
Использование запутанных фотонов позволяет квантовому фотонному димерному лазеру сохранять точность и мощность на больших расстояниях и в неблагоприятных условиях, говорится в заявлении ученых. Это делает квантовые лазеры более эффективными для военных приложений, таких как наблюдение и защищенная связь в суровых условиях.
По словам руководителя проекта Джун-Тсуна Шена , доцента кафедры электрической и системной инженерии Вашингтонского университета в Сент-Луисе, «фотоны кодируют информацию во время путешествия, но атмосфера сильно влияет на них. Когда два фотона связаны, они все еще подвержены воздействию атмосферы, но могут защищать друг друга, сохраняя часть фазовой информации».
Квантовый фотонный димерный лазер работает за счет связывания пар фотонов через квантовую запутанность . Квантовая запутанность — сложное явление в квантовой механике, при котором две или более частицы становятся взаимосвязанными таким образом, что одна частица мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Связанные через квантовую запутанность фотонные димеры действуют как единое целое, что упрощает их манипулирование и увеличивает энергию и стабильность лазера.
Предыдущее исследование команды Шена, опубликованное в декабре 2020 года, показало, как технология квантового фотонного димерного лазера может улучшить глубокую визуализацию человеческого мозга. В этом исследовании использовались фотонные димеры для картирования сложных нейронных структур. Технология также может найти применение в квантовых вычислениях и телекоммуникациях, что может привести к более быстрым и безопасным способам передачи данных.
Шен отметил: «Мы пытаемся использовать свойства запутанности для создания чего-то инновационного. Запутанность позволяет делать многие вещи, о которых мы только мечтали, и это лишь верхушка айсберга».
Подробнее: https://www.securitylab.ru/

Ученые нашли способ генерировать лазерное излучение в полых световодах — тонких «трубках» из кварцевого стекла с отражающей микроструктурой. Для этого с помощью мощного микроволнового излучения авторы зажгли в полом световоде газовый разряд, создающий лазерное излучение. Такой подход позволит в тысячи раз увеличить выходную мощность существующих волоконных лазеров. Кроме того, исследователи показали, что полые световоды могут эффективно преобразовывать лазерное излучение из ближнего инфракрасного диапазона в средний инфракрасный, удобный для анализа химического состава веществ. Результаты исследований, поддержанных грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в серии из трех статей в Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.
Оптическое волокно или световод — это тонкая стеклянная нить, по которой можно передавать свет. При этом свет распространяется практически без потерь вдоль сердцевины световода — его центральной части, — благодаря многократным отражениям от окружающей ее стеклянной оболочки. Мы постоянно сталкиваемся со световодами, когда, например, пользуемся Интернетом, так как световоды лежат в основе оптических линий связи, объединяющих континенты в единое информационное пространство. Кроме того, световоды незаменимы в медицине, например в составе волоконных эндоскопов для диагностики заболеваний, а также широко применяются при высокоточной резке и сварке материалов с помощью волоконных лазеров.
Однако в световодах, используемых на практике сегодня, сердцевина состоит из кварцевого стекла, через которое можно пропустить только видимый и ближний инфракрасный (ИК) свет, а на остальных длинах волн, в частности в среднем ИК диапазоне, такие световоды абсолютно неприменимы. Кроме того, сердцевина из кварцевого стекла ограничивает максимальную интенсивность света, которую можно передавать по световоду без его повреждения. Преодолеть эти ограничения могут помочь полые световоды, которые активно разрабатываются и изучаются в ведущих лабораториях мира. Несмотря на то, что отражающая микроструктурированная оболочка полых световодов все так же состоит из кварцевого стекла, свет в них передается исключительно по полой сердцевине, что значительно расширяет возможные применения этих устройств.
Ученые из Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН (Москва) создали полый световод, с помощью которого смогли с высокой эффективностью преобразовать излучение ближнего ИК-диапазона в средний ИК-диапазон. Авторы взяли коммерчески доступный лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы на длине волны около 1 микрометра (ближний ИК-диапазон), и пропустили это излучение через полый световод длиной 3 метра, заполненный обычным и «тяжелым» водородом (дейтерием). В результате на выходе полого световода получили излучение среднего ИК-диапазона. Причем, меняя долю дейтерия в газовой смеси внутри полой сердцевины, а также подстраивая длительность импульсов на входе в световод, исследователи смогли управлять спектром выходного излучения: получать либо строго фиксированные отдельные длины волн, либо широкий спектр, проникающий в средний ИК-диапазон до длин волн более 4 микрометров.
Средний ИК-диапазон называют диапазоном «отпечатков пальцев», поскольку по тому, как вещество поглощает эти длины волн, можно, как по отпечаткам пальцев, определить его химический состав. Достигнутые результаты позволят создавать эффективные и компактные лазерные источники высокой мощности, необходимые для неинвазивной биомедицинской диагностики, а также для контроля качества продуктов и фармацевтических препаратов.
Прорывным достижением авторов стала первая в мире генерация лазерного излучения непосредственно в полом световоде, в который не подавался свет от внешних источников. Чтобы достичь этого, полый световод заполнили смесью инертных газов гелия и ксенона, а к концам световода приставили зеркала, создав, таким образом, оптический резонатор. Затем световод облучили мощными микроволновыми импульсами с частотой, которая применяется в бытовых СВЧ-печах и модулях Wi-Fi. Такое облучение приводило к зажиганию в полом световоде газового разряда, в котором и возникало лазерное излучение.
«Наше исследование — это первая в мире демонстрация лазерной генерации в полых световодах. Эта работа открывает новое направление, которое позволит в будущем генерировать в полых световодах лазерные импульсы такой мощности, которая в тысячи раз превосходит порог разрушения обычных широко используемых световодов со стеклянной сердцевиной. В дальнейшем мы планируем не только существенно повысить выходную мощность созданных нами газоразрядных волоконных лазеров, но и значительно расширить набор генерируемых ими длин волн как в средней инфракрасной, так и в ультрафиолетовой части спектра. Такие лазеры могут найти разнообразные применения от биомедицинской диагностики до литографии при создании микросхем», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Гладышев, старший научный сотрудник Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.
Источник: https://rscf.ru/

Красноярские ученые впервые разработали фотонно-кристаллический микрорезонатор с жидкокристаллическим слоем, способность которого удерживать свет зависит от температуры. Он может послужить основой для создания оптического температурного сенсора.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review E.
Оптические температурные сенсоры используются в различных измерительных приборах и устройствах контроля в автомобильной и химической промышленности, нефтегазовом секторе, других сферах. Они используются для контроля температуры при химических процессах, обнаружения протечек в трубопроводах, термического контроля силовых кабелей, для обеспечения пожарной безопасности и безопасной работы промышленных установок.
Учёные ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из СФУ использовали концепцию связанных состояний в континууме для создания оптического датчика температуры из фотонно-кристаллического микрорезонатора. Такой микрорезонатор состоит из жидкокристаллического слоя, расположенного между двумя одномерными фотонными кристаллами из чередующихся слоев нитрида кремния и диоксида кремния.
«Мы предложили новую модель оптического температурного сенсора на основе микрорезонатора и реализовали её экспериментально. В нашем микрорезонаторе фотонные кристаллы выступают как зеркала, а слой жидкого кристалла – как резонаторный слой. Когда свет находится между зеркалами, в слое жидкого кристалла реализуются так называемые микрорезонаторные моды. Чтобы детектировать температуру, мы использовали спектральные особенности локализованных мод», — рассказал Алексей Краснов, лаборант Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.
При прохождении света через микрорезонатор в спектрах пропускания наблюдаются провалы. Такой провал называется резонансной линией, или резонансом, и имеет две основные характеристики: спектральное положение и ширину. Обычно для сенсорных приложений используют изменение положения резонанса при изменении температуры. Ученые впервые предложили использовать для измерения температуры вторую характеристику – ширину резонансной линии. Используя концепцию связанных состояний в континууме, им удалось реализовать управление шириной резонансных линий при нагревании образца.
«Связанное состояние в континууме – это свет, который “не покидает” микрорезонатор. Изменение температуры жидкого кристалла приводит к разрушению связанного состояния. В результате свет выходит через зеркала, что проявляется в изменении спектральной ширины соответствующего резонанса. Стоит отметить, что для оптического диапазона электромагнитных волн температурное управление шириной спектральных линий на основе связанных состояний в континууме было реализовано впервые», — объяснил результат работы кандидат физико-математических наук научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Павел Панкин.
Устройство может быть использовано для измерения и калибровки температуры.
Исследование поддержано Российским научным фондом (№22–22–00687).
Источник:
https://scientificrussia.ru/