МНТ 2019 научно-популярный отчет

Таммовский плазмон-поляритон и топологическая устойчивость

В настоящем проекте изучается таммовский плазмон-поляритон, возбуждаемый на границе фотонного кристалла и оптической среды, отражающей свет. В качестве такой среды рассмотрен металл, а также среда с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью, например, прозрачный проводящий оксид, либо металл-диэлектрический нанокомпозит, представляющий собой диэлектрическую матрицу с равномерно распределенными по ее объему металлическими наночастицами. В качестве фотонного кристалла рассмотрена слоистая среда из чередующихся высокопреломляющего и низкопреломляющего слоев. В частности, такое чередование может обеспечиваться одним и тем же анизотропным материалом за счет изменения ориентации оптической оси (рис. 1). В последнем случае возможно хиральное оптическое таммовское состояние, например, на границе холестерического жидкого кристалла и многослойного сохраняющего поляризацию анизотропного зеркала. При этом направление закручивания поляризации света совпадает по знаку с закручиванием ориентации жидкого кристалла.

В обоих случаях, изотропном и анизотропном, показано совпадение аналитических дисперсионных кривых и спектров, содержащих резонансную линию таммовского плазмон-поляритона. Рассмотрена возможность управления частотой и поляризацией состояния, а также определены параметры критической связи таммовского плазмон-поляритона с падающим излучением.

В случае металлического слоя описан вихрь фазы отраженного от структуры света в пространстве параметров структуры. В центре вихря фаза отраженного от структуры света не определена, а амплитуда обращается в ноль. Вихрь несет ненулевой топологический заряд, обеспечивающий устойчивость состояния критической связи относительно изменения параметров структуры.

Таммовские плазмон-поляритоны на границе фотонного кристалла и
материалов с близкой к нулю диэлектрической проницаемостью

При определенных условиях таммовские плазмон-поляритоны могут формироваться в интервале длин волн, в пределах которых диэлектрическая проницаемость среды (нанокомпозита) близка к нулю. Этот спектральный диапазон интересен тем, что в ней материл обладает свойствами как металла (отражает как металлическое зеркала), так и обычного диэлектрика (прозрачен как стекло). Таммовский плазмон-поляритон можно возбудить в подобной структуре как облучая её со стороны нанокомпозитной пленки, так и со стороны фотонного кристалла. При этом таммовский плазмон-поляритон имеет три канала релаксации энергии. Первый канал обусловлен пропусканием света через фотонный кристалл. Второй канал – пропусканием света через нанокомпозит. Третий канал – поглощением энергии в нанокомпозитном слое. В обеих схемах возбуждения одно зеркало делается непрозрачным, чтобы можно было пренебречь одним из трех каналов релаксации энергии. Например, при возбуждении локализованного состояния через нанокомпозитный слой, пропускание света через фотонный кристалл принимается равным нулю. Этого можно достичь, увеличив число периодов многослойной структуры. Таким образом, вся падающая на структуру энергия распределяется между каналами пропускания и поглощения нанокомпозитной пленки. Подбором параметров нанокомпозита можно добиться критической связи падающего поля с таммовским плазмон-поляритоном, при которой все падающее на структуру излучение будет поглощаться нанокомпозитной пленкой. Интересно, что схема возбуждения локализованного состояния через нанокомпозитный слой более привлекательна, так как в условиях критической связи линия резонанса и, как следствие, полоса поглощения становятся у`же. При этом, для достижения полного поглощения падающего излучения, в случае возбуждения таммовского плазмон-поляритона через фотонный кристалл, необходимо изменить толщину первого слоя фотонного кристалла, прилегающего к нанокомпозиту.

Хиральное оптическое таммовское состояние на границе
холестерического жидкого кристалла и слоистой структуры

Исследовано хиральное оптическое таммовское состояние (ХОТС) на границе холестерического жидкого кристалла и слоистой структуры, характеризующейся чередующимися одинаковыми одноосными диэлектрическими слоями с ортогональными направлениями оптических осей. Оказывается, что такое многослойное зеркало не меняет знак поляризации отраженного света. Свет правой круговой поляризации при отражении также сохраняет правую круговую поляризацию. Такую структуру можно назвать сохраняющим поляризацию анизотропным зеркалом (СПАЗ). Можно увидеть, что свет локализован около границы СПАЗ-ХЖК, а локальная интенсивность поля спадает экспоненциально с увеличением расстояния от этой границы. Показано, что найденное состояние является высокодобротным, а также может быть эффективно перестроено по частоте. Многослойное СПАЗ можно использовать для эффективного резонансного управления полученным ХОТС. Подчеркиваются преимущества полностью диэлектрической структуры в получении высокой добротности.

 

image001.png

Рис. 1. Схематическое представление границы диэлектрического сохраняющего поляризацию анизотропного зеркала (PPAM) и холестерического жидкого кристалла (CLC), ориентация оптической оси которого изменяется в пространстве.

 

С помощью теории связанных мод рассматриваются условия критической связи с учетом утечек энергии, образованных материальными и геометрическими параметрами структуры. Полученные аналитические выражения хорошо согласуются с численными расчетами методом матрицы Берремана, обеспечивая возможности интеллектуального проектирования для лазерных и сенсорных приложений.


Поделиться: