Российские физики создали германиевый микрорезонатор с модами шепчущей галереи для средней ИК области с рекордной добротностью. В исследовании разработаны германиевые микрорезонаторы, демонстрирующие добротность порядка 107, что очень близко пределу добротности, ограниченной уровнем потерь в материале. Такой уровень в сто раз превышает результаты для существующих германиевых микрорезонаторов, и на сегодняшний день является максимальной величиной. Результаты опубликованы в журнале Optics Express.
Оптический микрорезонатор — устройство, которое позволяет накапливать электромагнитное излучение внутри своего объема. За счет высокой добротности и небольших размеров он может удерживать внутри малого пространства (порядка миллиметра) электромагнитное излучение, локально создавая тем самым высокую плотность поля, что необходимо для различных применений. В современном мире оптические микрорезонаторы широко распространены и играют важную роль; они применяются для стабилизации лазеров, химического и биологического зондирования, создания компактных источников частотных гребенок. По сути, микрорезонатор с модами шепчущей галереми — осесимметричный объект, сделанный из диэлектрического материала.
Необычное название оптических мод — моды шепчущей галереи — имеет интересное происхождение, связанное с акустическим явлением. Этот феномен, известный как эффект шепчущей галереи, проявляется в круглых помещениях, где звуки, произнесенные вблизи стен, распространяются удивительным образом: они, отражаясь, следуют вдоль изогнутой поверхности стен, оставаясь отчетливо слышимыми вдоль поверхности даже на большом расстоянии от источника. Однако при отдалении от поверхности звуки становятся практически неразличимыми. Историческое значение этого эффекта связано с его первым научным исследованием, проведенным лордом Рэлеем в соборе Святого Павла в Лондоне.
Шепчущая галерея в соборе Святого Павла в Лондоне. Фото Википедия
Моды типа шепчущей галереи в микрорезонаторе возникают за счет эффекта полного внутреннего отражения. Этот эффект наблюдается на внутренней поверхности микрорезонатора, показатель преломления которого больше, чем показатель преломления окружающей среды. Таким образом, распространяющаяся внутри микрорезонатора электромагнитная волна полностью отражается от границы раздела двух сред с различными показателями преломления. В результате световая волна как бы удерживается внутри микрорезонатора, многократно обходя его по кругу и формируя устойчивую моду.
В настоящее время микрорезонаторы с модами шепчущей галереи изготавливаются из различных оптических материалов, каждый из которых выбирается в соответствии с конкретными целями и задачами исследования. В данном исследовании авторы сфокусировались на исследовании микрорезонаторов из материалов, прозрачных в среднем ИК диапазоне. Выбор ученых пал на микрорезонаторы из кристаллического германия, который обладает наиболее широким окном прозрачности в среднем ИК, и показали их эффективность.
«Главным преимуществом микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи является малый объем моды за счет малого геометрического размера резонатора, что приводит к большой локализованной концентрации плотности поля. Высокая эффективность резонатора достигается за счет его изготовления из материала с малыми потерями в широком спектральном диапазоне. Совокупность высокой плотности поля и низких потерь позволяет использовать микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи для наблюдения различных нелинейных эффектов, за счет уменьшения пороговой мощности для их проявления», — рассказала Татьяна Тебенева, научный сотрудник группы «Когерентной микрооптики и радиофотоники» Российского квантового центра.
Рисунок 1. Изображения германиевого микрорезонатора с режимом шепчущей галереи после процесса обточки, полученные со сканирующего электронного микроскопа. Источник: журнал Optics Express
Эффективность резонаторов характеризуется их добротностью. Чем больше величина добротности, тем дольше излучение удерживается внутри микрорезонатора. В общем эта величина определяется различными механизмами потерь, связанными как с внутренними свойствами материала микрорезонатора, в виде потерь на поглощение и рассеяние, так и с внешними факторами, к которым можно отнести потери, связанные с наличием элемента связи.
Добротность микрорезонатора показывает какое количество запасенной в нем энергии теряется за один период колебания. Чем больше эта величина, тем дольше свет может удерживаться внутри микрорезонатора. На добротность влияют различные факторы, связанные с потерями в материале за счет рассеяния и поглощения в объеме материала и на поверхности, и потерями, обусловленными уходом энергии через элемент связи. Также может влиять размер самого резонатора, который определяет потери за счет утечки излучения при отражении от поверхности, и материал, из которого изготовлен микрорезонатор.
«С учетом анализа всех механизмов потерь мы получили собственную добротность, которая является максимально достижимой для используемого материала. Такая величина добротности достигается во многом благодаря процессу полировки поверхности микрорезонатора, что позволяет уменьшить потери, связанные с рассеянием на неоднородностях», — пояснила Татьяна Тебенева.
Излучение попадает внутрь микрорезонатора через элемент связи, так чтобы выполнялось условие полного внутреннего отражения. Например, в случае использования призменного элемента связи, излучение необходимо сфокусировать на внутренней поверхности призмы под угол большим, чем угол полного внутреннего отражения. В настоящем исследовании использовались элементы связи в виде призмы и полусферы. Схема рабочей установки и используемые элементы связи показаны на Рисунке 2. Для возбуждения мод шепчущей галереи необходимо, чтобы показатель преломления материалы призмы был больше показателя преломления материала микрорезонатора. Однако возникает проблема для создания элемента связи для германиевого микрорезонатора, потому что германии обладает уникально большим показателем преломления n = 4,06 при 2,5 мкм.
«В нашем случае, когда материал микрорезонатора имеет большой показатель преломления (n = 4), сложно подобрать подходящий элемент связи для эффективного возбуждения моды типа шепчущей галереи. В нашей группе ранее (для кремниевого микрорезонатора) был продемонстрирован метод возбуждения моды с использованием полусферы, изготовленной из того же материала, что и микрорезонатор. В данном исследовании мы использовали такой же способ возбуждения для микрорезонатора из германия и показали хорошую эффективность связи (до 40 процентов)», — поделилась Татьяна Тебенева.
Рисунок 2. b. Схема экспериментальной установки для измерения добротности с различными элементами связи и микрорезонаторами; c. Германиевая призма, используемая в качестве элемента связи; d. Германиевая полусфера, используемая в качестве элемента связи. Источник: журнал Optics Express.
«Мы показали, что использование полусферы имеет преимущество перед призмой, заключающееся в простоте юстировки и большем значении вводимой мощности. Это позволяет наблюдать различные нелинейные эффекты в германиевом микрорезонаторе, — рассказал Дмитрий Чермошенцев, старший научный сотрудник группы «Квантовая оптика» РКЦ, сотрудник кафедры МФТИ. — Кроме того, мы выделили потенциальные применения этих изготовленных германиевых микрорезонаторов в стабилизации частоты лазерного диода и в сужении ширины линии лазеров, работающих на 2,68 мкм».
«Разработка систем с использованием микрорезонаторов, сделанных из различных материалов может позволить в будущем создать компактные узкополосные источники излучения, работающие в широком диапазоне частот» — заметил один из авторов исследования, старший научный сотрудник группы группы «Когерентной микрооптики и радиофотоники» Российского квантового центра Артем Шитиков.
«В дальнейшем мы планируем исследование свойств микрорезонаторов из германия, кремния и арсенида галлия на длинах волн 4.6 и 8 мкм, в том числе использование таких микрорезонаторов для получения и исследования нелинейных эффектов в среднем ИК диапазоне», — поделилась с нами Татьяна Тебенева.
В работе принимали участие ученые из РКЦ, МФТИ, Сколтеха, Тверского государственного университета, Института космических исследований РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова.
Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (20-12-00344).
