Отчёт 2024

Страница на сайте фонда по результатам выполнения проекта: https://rscf.ru/project/24-12-00236/

Материалы исследований, проведенных в течение первого года выполнения проекта, опубликованы в двух статьях (Chinese Journal of Physics (Q1), Известия РАН) и представлены в 7 докладах на 5 конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова (Волны-2024, МГУ, Можайск), Всероссийская молодежная самарская конкурс-конференция по оптике, лазерной физике и физике плазмы (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2024, Самара), Международная конференция «Прикладная Оптика-2024», (Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, Санкт-Петербург), Международный семинар по волоконным лазерам (ИАиЭ СО РАН, 2024, Новосибирск), 22th International Conference on Foundations & Advances in Nonlinear Science and 7th International Symposium on Advances in Nonlinear Photonics (FANS&ANP-2024, БГУ, Минск).

Среди задач топологической фотоники можно выделить получение топологических состояний в массивах вертикально-излучающих лазеров. Рассмотрены топологические и граничные состояния в одномерной цепочке Су-Шриффера-Хигера с дефектом в центре и найдена аналогия для акустических резонаторов в фононном кристалле. В качестве примера можно использовать зигзагообразную цепочку с чередующимися продольными и поперечными связями между микрорезонаторами соседних вертикально-излучающих лазеров. Микрорезонаторы на краях сильно связаны, но периодическое чередование сильных и слабых связей нарушается несколькими сильными связями, расположенными в центре. Гамильтониан системы представляет собой двухдиагональную матрицу. Комплексные коэффициенты в гамильтониане можно интерпретировать как фазовый сдвиг констант связи. Матрица является самосопряженной, поэтому ее собственные значения действительны. Теоретически описаны дефектные и топологические моды в изучаемых цепочках. Показано, что комплексная связь приводит к набегу фазы между возбуждениями микрорезонаторов и к отклонению пучка света от вертикального направления. Полученные эффекты могут найти применение при разработке фундаментальных основ твердотельных лидаров и топологических лазеров.

Исследованы спектральные свойства метаповерхности Панчаратнама–Берри, сопряженной со структурой металл-фотонный кристалл. В такой структуре может возбуждаться таммовский плазмон-поляритон - состояние света, локализованное на границе металла с фотонным кристаллом и экспоненциально затухающее при удалении от границы. Использование этого локализованного состояния, в сравнении с щелевым плазмоном, позволяет получить более добротную резонансную линию и, как следствие, большее изменение фазы при изменении параметров структуры. Структурные элементы метаповерхности изготовлены из антимонита - материала с фазовым переходом из аморфного состояния в кристаллическое, в результате которого изменяется фаза отраженного от структуры света. Продемонстрирована возможность дополнительного управления фазой отраженной волны путем поворота нанокирпичей относительно вектора электрического поля. Показано, что для кристаллической фазы антимонита поворот нанокирпича относительно вектора электрического поля приводит к большему изменению фазы, чем для аморфной фазы. Полученные результаты использованы для создания фазовой дифракционной решетки. Показано, что в кристаллической фазе смена круговой поляризации приводит к перераспределению интенсивности в дальнем поле между +1 и -1 порядками дифракции.

Исследованы спектральные и поляризационные характеристики резонатора Фабри-Перо, заполненного фотоуправляемым хиральным нематиком. Используются планарно-тангенциальные граничные условия, что позволяет структуре непрерывно изменять угол закручивания под действием управляющего синего и ультрафиолетового света. Увеличение угла закручивания структуры приводит к росту геометрической фазы собственных мод, сопровождающемуся красным спектральным сдвигом необыкновенных мод и синим спектральным сдвигом обыкновенных мод. Спектральный сдвиг мод изучается экспериментально, с помощью численного моделирования и аналитически. Получена обобщенная резонансная диаграмма резонатора, заполненного хиральным нематиком. Проведены измерения значений геометрической фазы в зависимости от угла закручивания структуры. Предложенный хиральный микрорезонатор с перестраиваемой геометрической фазой может оказаться перспективным для разработки устройств с фотоуправляемыми характеристиками.

Статьи, в которых представлены достигнутые научные результаты:

• Bikbaev R.G., Konov Y. V., Pykhtin D.A., Timofeev I. V. Dynamic light manipulation by geometric phase metasurface incorporated to Tamm plasmon polariton structure // Chinese J. Phys. 2024. Vol. 92. P. 1325–1330. doi:10.1016/j.cjph.2024.10.032
• Зуев А.С., Ветров С.Я., Федченко Д.П., Тимофеев И.В. Гибридизация акустических таммовских состояний с дефектными модами одномерного фононного кристалла // Известия РАН. Cерия физическая. 2025. Vol. 88. https://journals.rcsi.science/0367-6765/article/view/308526/282987

Тезисы конференций, на которых представлены достигнутые научные результаты:

1. И. В. Тимофеев, "Геометрическая фаза в вертикально-излучающих лазерах на хиральной высококонтрастной решетке," Материалы международного семинара по волоконным лазерам 2024 (Н.: НГУ, 2024), p. 59.
2. А. С. Зуев, С. Я. Ветров, Д. П. Федченко, И. В. Тимофеев, "Акустическое таммовское состояние в одномерном фононном кристалле с дефектами структуры," Сборник Трудов XXXIV Всероссийской Школы-Семинара «Волновые явления: физика и применения» имени профессора А.П. Сухорукова (М.: МГУ, 2024), p. 206.
3. И. В. Тимофеев, "Локализация света в хиральных микрорезонаторах для топологической фотоники (приглашенный доклад)," Сборник Трудов XXXIV Всероссийской Школы-Семинара «Волновые явления: физика и применения» имени профессора А.П. Сухорукова (М.: МГУ, 2024), p. 66.
4. Р. Г. Бикбаев, Ю. В. Конов, Д. А. Пыхтин, И. В. Тимофеев, "Динамическая манипуляция светом с помощью встроенной в структуру с таммовским плазмон-поляритоном метаповерхности геометрической фазы," XXII Всероссийская молодежная самарская конкурс-конференция по оптике, лазерной физике и физике плазмы. Самара, 12-16 Ноября 2024 г. Сборник Конкурсных Докладов (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 2024), p. 99.
5. А. С. Зуев, С. Я. Ветров, Д. П. Федченко, И. В. Тимофеев, "Акустическое таммовское состояние в одномерном фононном кристалле с дефектами структуры," // 22th International Conference on Foundations & Advances in Nonlinear Science (FANS) 7th International Symposium on Advances in Nonlinear Photonics. Minsk. 2024
6. М. Н. Крахалев, А. С. Абдуллаев, А. С. Зуев, В. А. Гуняков, В. Я. Зырянов, И. В. Тимофеев, "Резонатор Фабри-Перо с фотоуправляемым холестерическим дефектным слоем," XVI Международная Конференция «Прикладная Оптика-2024», 17-18 декабря 2024 г. (Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, 2024).
7. П. Н. Ким, М. Н. Крахалев, Д. П. Федченко, Н. В. Рудакова, И. В. Тимофеев, "Электроуправляемый мозаичный фотонный топологический изолятор на основе массива призм," XVI Международная Конференция «Прикладная Оптика-2024», 17-18 декабря 2024 г. (Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, 2024).

2025

В течение второго года выполнения проекта материалы исследований опубликованы в четырех статьях (Optics & Laser Technology, Applied Optics, Оптический журнал, Journal of Siberian Federal University: Mathematics & Physics) и представлены в 6 докладах на 4 конференциях: Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова (Волны-2025, МГУ, Можайск), Photonics & Electromagnetic Research Symposium (PIERS 2025, Abu Dhabi, UAE), 21st Optics of Liquid Crystals Conference (OLC 2025, Kaohsiung, Taiwan), Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники («Фотоника-2025», Новосибирск, ИФП СО РАН).

Рассмотрена волноводная система, представляющая собой гексагональный массив резонаторов с симметрией шестого порядка. Гексагональная структура была расслоена на множество концентрических окружностей. За счет деформаций в системе, полученных перестановками вершин и изменением значений констант связи между резонаторами были возбуждены граничные состояния, в частности, рассмотрены константы связи с комплексными значениями.

Продемонстрирована возможность управления интенсивностями дифракционных порядков метаповерхности Панчаратнама-Берри, сопряженной со структурой, обеспечивающей возбуждение таммовского плазмон-поляритона. Слой жидкого кристалла действует как полуволновая фазовая пластинка, обеспечивающая изменение левой круговой поляризации падающего излучения на правую и обратно. Изменение приложенного к слою жидкого кристалла напряжения обеспечивает эффективное перераспределение интенсивности света в дальнем поле между -1 и +1 дифракционными порядками.

Численно исследованы спектральные и поляризационные характеристики микрорезонатора, состоящего из двух типов зеркал: обычного изотропного и сохраняющего поляризацию анизотропного зеркала, которое имеет свойство при отражении от него не менять поляризацию падающего излучения. Пространство между зеркалами заполнено холестериком. Для объяснения поляризации и длины волны локализованных мод использована трансляционно-поворотная симметрия слоя холестерика и оптический метод изображений, подобный методу изображений в электростатике. Проверена аналогия между поляризацией локализованной моды и листом Мебиуса, при обходе которого фаза поворачивается не на 360, а на 180 градусов. Показано, что метод изображений применим к сохраняющему поляризацию анизотропному зеркалу, так как удвоенный микрорезонатор содержит все моды гибридного микрорезонатора.

Экспериментальными и численными методами проведено исследование особенностей поляризованных спектров пропускания хирального Фабри — Перо микрорезонатора, образованного парой плоских металлических зеркал, заполненного нематическим жидким кристаллом, в котором приложенное магнитное поле индуцировало ориентационный переход, соответствующий твист деформации. Несмотря на малость полученной твист деформации нематика, специфическая хиральность среды усиливает неадиабатичность распространения световых волн в резонаторе, что, в свою очередь, приводит к существенным аномальным сдвигам поляризованных резонансных мод в спектре пропускания. Обнаруженный эффект позволяет проводить тонкую настройку спектрального положения резонансов за счет закручивания, что может быть использовано при создании новых устройств на основе геометрической фазы.

Были исследованы микрорезонаторы Фабри–Перо с фоточувствительным холестериком в качестве дефектного слоя. Шаг спирали холестерика может изменяться под действием ультрафиолетового или синего излучения. Для холестерика были заданы планарно-тангенциальные граничные условия, позволяющие плавно изменять угол закрутки структуры. Были установлены закономерности изменения поляризационных и спектральных характеристик мод микрорезонатора в зависимости от угла закрутки планарной структуры холестерика. Микрорезонаторы исследовались экспериментально и методом численного моделирования Берремана, обобщённого для случая анизотропной среды. Исследования были выполнены для толщин полости микрорезонатора 3,63 мкм и 7,68 мкм. Было показано, что изменение угла закрутки холестерика позволяет с одинаковой эффективностью управлять re- и ro-модами микрорезонатора. С ростом угла закрутки re-моды смещаются в красную область спектра, в то время как ro-моды испытывают синий спектральный сдвиг. Величина спектрального сдвига мод ограничена явлением квазипересечения мод соседних серий, реализующимся в максимуме Гуч–Терри, где происходит смена типа мод с re- на ro- и обратно. Положение максимума Гуч–Терри смещается в красную область спектра с ростом угла закрутки холестерика, скорость смещения растёт с уменьшением толщины слоя жидкого кристалла и увеличением длины волны оптического излучения. Предложенный хиральный микрорезонатор с перестраиваемой геометрической фазой может оказаться перспективным для разработки устройств с фото- и электроуправляемыми характеристиками.

Рис. Схематическое изображение микрорезонатора с углом закрутки директора \phi_dir = 0° (слева сверху) и 500° (слева снизу). Рассчитанные (в центре) и измеренные (справа) спектры пропускания микрорезонатора в зависимости от угла закрутки. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113012

Статьи, в которых представлены достигнутые научные результаты:

• Федченко Д.П., Горячева Д.В., Тимофеев И.В. Edge States on Hexagonal Array of Resonators with Complex Coupling Constants Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics, 19(1), 122–128 (год публикации - 2026) https://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/157928

  Крахалев М.Н., Абдуллаев А.С., Зуев А.С., Гуняков В.А., Тимофеев И.В., Зырянов В.Я, Photocontrolled chiral-nematic Fabry-Pérot cavity Optics & Laser Technology, 189 (2025) 113012 (год публикации - 2025) https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.113012

  Крахалев М.Н., Абдуллаев А.С., Зуев А.С., Гуняков В.А., Тимофеев И.В., Зырянов В.Я. Спектральный сдвиг мод микрорезонатора с фотоуправляемым холестерическим дефектным слоем Оптический журнал, Т. 92. № 10. С. 16–25. (год публикации - 2025) 10.17586/1023-5086-2025-92-10-16-25

  Бикбаев Р.Г., Пыхтин Д.А., Чэнь Г.-П., Ли В., Тимофеев И.В. Voltage-induced beam switching by a geometric phase metasurface incorporated into a Tamm plasmon polariton structure Applied Optics, 64, 10849-10854 (год публикации - 2025) 10.1364/AO.580680

Тезисы конференций, на которых представлены достигнутые научные результаты:

• Bikbaev R.G., Konov Y. V., Pykhtin D.A., Timofeev I. V. Dynamic Light Manipulation by Geometric Phase Metasurface Incorporated to Tamm Plasmon Polariton Structure // Invit. Present. Photon. Electromagn. Res. Symp. (PIERS 2025), Abu Dhabi, UAE, 4-8 May, 2025. Link
• Bikbaev R.G., Lee W., Timofeev I. V. Tunable light manipulation using geometric phase metasurfaces incorporated into Tamm plasmon polariton structures // oral Present. 21st Opt. Liq. Cryst. Conf. OLC 2025, Kaohsiung, Taiwan, August 31 - Sept. 5, 2025. Link
• Ким П.Н., Шлепанов В.А., Тимофеев И.В. Разработка времяпролетного лидара с отклонением луча перестраиваемой метаповерхностью геометрической фазы // Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники («Фотоника-2025», Новосибирск, ИФП СО РАН). Н.: НГУ, 2025. P. 84. Link
• Федченко Д.П., Тимофеев И.В. О комплексной связи между оптическими резонаторами на гексагональной решетке // Сборник трудов XXXVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления физика и применения» имени профессора А.П. Сухорукова. М.: МГУ, 2025. P. 388–389. Link
• Тимофеев И.В. Топология фазовых пространств для волн в периодических неоднородных средах // Сборник трудов XXXVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления физика и применения» имени профессора А.П. Сухорукова. М.: МГУ, 2025. P. 381. Link
• Зуев А.С., Гуняков В.А., Сутормин В.С., Паршин А.М., Зырянов В.Я., Тимофеев И.В. Геометрическая фаза света при закручивании жидкого кристалла магнитным полем в микрорезонаторе Фабри-Перо на основе металлических зеркал // Сборник трудов XXXVI Всероссийской школы-семинара «Волновые явления физика и применения» имени профессора А.П. Сухорукова. М.: МГУ, 2025. P. 351–354. Link