Физики из Университета ИТМО, Института Иоффе и Австралийского национального университета исследовали новый механизм создания резонаторов с высокой добротностью. Он основан на взаимном разрушении двух низкодобротных состояний в одном резонаторе и позволяет надежно «запирать» свет в структурах из различных материалов даже на мелких масштабах. Теоретические результаты работы были подтверждены экспериментально. Они могут стать основой новых миниатюрных устройств: чувствительных сенсоров, оптических фильтров и нелинейных источников света. Результаты опубликованы в SPIE Advanced Photonics.

Резонансы Фано возникают при взаимодействии двух волн с определенными соотношениями амплитуды и фазы, например, при рассеянии электромагнитного излучения. Они активно исследуются и широко применяются для создания резонаторов – устройств, усиливающих электромагнитный сигнал. Два основных параметра этих резонансов, определяющих ширину пика и его асимметрию, обычно считались независимыми друг от друга и настраивались отдельно так, чтобы добиться максимальной добротности. Эта характеристика резонатора показывает, как хорошо он удерживает и усиливает излучение.

Однако ученые Университета ИТМО показали, что параметры резонансов связаны между собой: когда резонансный пик в спектре рассеянного излучения становится симметричным, его ширина становится минимальной, а добротность ‒ максимальной. Это происходит при изменении размеров резонатора из-за того, что в нем возникает необычное взаимодействие нескольких состояний или мод. Физики связали это явление с недавно предложенным механизмом реализации резонаторов с гигантской добротностью. Преимущество механизма в том, что он работает на малых масштабах для широкого класса материалов.

«Обычно, чтобы создать высокодобротный резонанс, нужно свет запереть где-то при помощи хороших зеркал, среды с высоким преломлением, из которой свету будет сложно выйти. Ранее мы описали новый механизм запирания света. Он основан на том, что две низкодобротные моды, в каждой из которых свет держится плохо, в какой-то момент создают состояние с очень высокой добротностью. Минус на минус дает плюс. А в этой работе провели эксперименты и более глубоко проработали теорию», – объясняет Кирилл Кошелев.

Ученые впервые показали экспериментально, что такое взаимодействие резонансов возможно. Эксперимент проводили в радиочастотных волнах с использованием цилиндрического сосуда. Сосуд по капле наполняли водой, так что высота столба постоянно менялась. При этом при помощи специального датчика отслеживали добротность и положение резонансов.

«Работа началась с теории: Кирилл Кошелев доказал, что высокая добротность всегда сопровождается симметричной формой резонанса. Эти результаты затем подтвердили в эксперименте Полина Капитанова и Михаил Рыбин. Мы работаем над практическим применением этих резонаторов. Недавно мы предложили нелинейный преобразователь частоты света на основе дисковых резонаторов с большой добротностью. Сейчас мы продолжаем эксперименты на других материалах. Кроме того, наши результаты используются для создания чувствительных компактных сенсоров. Над ними сейчас работает Алексей Слобожанюк», – добавляет Андрей Богданов.

Работа была поддержана грантом РНФ №17-12-01581. Результаты опубликованы в новом журнале SPIE Advanced Photonics. Статья была отмечена специальным комментарием редакции.

Статья: Bound states in the continuum and Fano resonances in the strong mode coupling regime. Andrey A. Bogdanov et al. SPIE Advanced Photonics, 28 January 2019.

Анастасия Комарова

Центр научной коммуникации