Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Были исследованы особенности спектральных свойств оптических микрорезонаторов с одномерными фотонными кристаллами (ФК) в качестве зеркал. Резонаторный слой представляет собой хиральный жидкий кристалл (ЖК) с тангенциально-коническими граничными условиями. В рамках модели Франка-Озеена была решена задача минимизации энергии холестерического ЖК с тангенциально-коническими граничными условиями во внешнем электрическом поле. Расчет был выполнен с учетом конечной поверхностной энергии на подложке с коническими граничными условиями, задаваемой потенциалом Рапини. Были рассчитаны конфигурации жидкого кристалла, отвечающие минимальной энергии. Показано, что жидкий кристалл формирует структуру с одновременным наклоном и закруткой директора. Приложенное напряжение приводит к раскрутке спиральной структуры, с одновременным наклоном директора по направлению внешнего электрического поля. Установлено, что с увеличением начального общего угла закрутки, увеличивается и диапазон изменения угла Δφ в рабочем диапазоне напряжений от 0 до 4 В: Δφ ~ 11° при L/p = 0.1, Δφ ~ 54° при L/p = 0.3, Δφ ~ 85° при L/p = 0.6 для оптимальной толщины ЖК слоя L = 10 мкм. Для решения задачи рассеяния был разработан оригинальный метод на основе метода матрицы рассеяния Рампфа. Предложенный метод позволяет рассчитать спектры пропускания, отражения и поля рассеяния для анизотропной слоистой системы с заданными тензорами диэлектрической и магнитной проницаемости с учетом частотной дисперсии, для произвольных поляризации, частоты и угла падения падающего света. Были рассчитаны спектры пропускания и отражения микрорезонатора для ТМ-поляризованных волн, падающих под углом Брюстера в зависимости от приложенного к слою жидкого кристалла напряжения. Показано, что раскручивание жидкокристаллической спиральной структуры под действием приложенного напряжения приводит к изменению положения, ширины и амплитуды резонансных линий микрорезонаторных мод. Ширина резонансной линии, а вместе с ней и добротность изменяются в ~5 раз для L/p = 0.3 и в ~3 раза для L/p = 0.6 при толщине ЖК L = 10 мкм, а также в ~2 раза для L/p = 0.6 при толщине ЖК L = 5 мкм. Амплитуда резонансной линии изменяется в диапазоне от максимального значения 1 до минимального 0 в точке коллапса, что свидетельствует об отсутствии связи резонансной моды с каналом рассеяния. Были рассчитаны поляризационные характеристики света при прохождении через слой ЖК при приложении к нему внешнего напряжения. Был изготовлен микрорезонатор из двух идентичных одномерных ФК-зеркал, образованных чередующимися слоями Si3N4 и SiO2. ФК демонстрируют близкое к нулю пропускание в области длин волн 600-700 нм, соответствующей фотонной запрещенной зоне для ТЕ-поляризованного света, и близкое к 0.9 пропускание для ТМ-поляризованного света, падающего на ФК под углом Брюстера. В качестве резонаторного слоя была использована нематическая смесь LN-396, допированная левосторонней хиральной добавкой холестерилацетат. Полимерная пленка нейлона 6 на одном ФК, и полиизобутилметакрилата (PiBMA) на другом обеспечивали тангенциально-конические граничные условия для слоя хирального ЖК. Обе стеклянные подложки ФК были предварительно покрыты слоем оксида цинка легированного алюминием (AZO), через который на слой ЖК подавалось внешнее напряжение. Была настроена и автоматизирована схема измерения спектров микрорезонатора при приложении внешнего напряжения. Экспериментальные ТМ-поляризованные спектры микрорезонатора демонстрируют многочисленные резонансные линии, соответствующие возбуждению микрорезонаторных мод. Экспериментально продемонстрировано управление положением, амплитудой и шириной (добротностью) спектральных линий при приложении к слою жидкого кристалла внешнего напряжения. Обнаружен эффект просветления микрорезонатора, при определенном значении приложенного напряжения. Для данного напряжения амплитуды резонансных линий в широком спектральном диапазоне коллапсируют (обращаются в нуль), а пропускание стремится к значению ~0.9, соответствующему пропусканию фотоннокристаллических зеркал. По результатам расчетов было найдено объяснение наблюдаемого эффекта. Рассчитанное распределение электромагнитного поля показывает, что просветление, индуцированное напряжением, возникает, когда ТМ-поляризованный свет в начале ЖК-слоя снова становится ТМ-поляризованным в конце. Этот эффект не зависит от длины волны по аналогии с режимом Могена в твист-нематических ячейках. Это явление может быть использовано для переключения устройств на основе жидких кристаллов, работающих в резонансных режимах.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках моделей Франка-Озеена и матрицы рассеяния Рампфа были получены зависимости поляризации света, прошедшего через ячейку холестерика с тангенциально-коническим сцеплением в зависимости от угла падения и величины приложенного напряжения для разных значений L и L/p. Установлено, что режим следования поляризации (волноводный режим) наблюдается при отрицательных значениях угла падения и параллельной ориентации направления натирки R относительно плоскости падения света. Такой режим наиболее выгодно реализовывать в толстых ячейках с большим L и с наибольшим значением L/p, что приводит к увеличению электро-индуцированного изменения азимута поляризации и уменьшению эллиптичности проходящего ХЖК слой света. При увеличении угла падения, величина критического напряжения, при которой режим нарушается, увеличивается. При положительных углах падения и приложении напряжения этот режим не наблюдается. При угле падения α=+50 наблюдается независимый от длины волны света режим изменения поляризации света. Он зависит как от L, так и от L/p. Режим изменения TE состояния поляризации на TM (и обратно) лучше всего (с наибольшим значением DoLP) реализуется для L~10 мкм и L/p~0.5. Для перпендикулярной ориентации R и положительных α режим следования не наблюдается. При отрицательных α он реализуется только при малых углах падения и характеризуется увеличением эллиптичности проходящего излучения. Были изготовлены ХЖК ячейки, конструкция которых позволяет реализовать наклонное падение излучения. Были измерены поляризационные характеристики прошедшего света. Для полученных зависимостей наблюдаются качественное и количественное соответствие с рассчитанными зависимостями. Экспериментально подтверждено, что режим следования азимута поляризации наблюдается при отрицательных углах падения и параллельной ориентации R относительно плоскости падения света. Увеличение угла падения в этом случае характеризуется увеличением значения DoLP белого света и уменьшение электро-индуцированного изменения азимута поляризации света. Для положительных углов волноводный режим не наблюдается. При угле падения +50 экспериментально наблюдается и подтверждается расчетами независимый от длины волны режим трансформации поляризации излучения. Этот режим зависит как от L, так и от L/p. Показано, что экспериментально изготовленный образец с L = 11,36 мкм и величиной L/p = 0,53 позволяет трансформировать ТЕ состояние поляризации в ТМ (и наоборот) с высоким значением DoLP. Образец с толщиной ХЖК слоя L = 25,33 мкм и величиной L/p = 0,6 при наклонном падении света позволяет реализовать плавное управление поляризацией излучения с углом поворота азимута поляризации до 93°. Представленные результаты могут лечь в основу реализации как широкополосных поляризационных фильтров, управляющих поляризацией ХЖК элементов, так и прочих поляризационных устройств. Задача рассеяния для микрорезонатора с хиральным слоем ХЖК была решена в рамках временной теории связанных мод. Было показано, что режиму просветления микрорезонатора соответствует реализация в системе пары особых резонансных мод, распространяющихся в противоположных направлениях, т.е. с различным знаком тангенциальной сотавляющей волнового вектора. А именно, uniguided resonance (UGR) и unicoupled resonance (UCR). Было показано, что в отличие от UGR, который излучает только в одном направлении, но может быть возбужден с обеих сторон микрорезонатора, UCR мода, наоборот, излучает в оба направления, но может быть возбуждена только с одной стороны. Стоит отметить, что в рамках данного проекта UCR моды были обнаружены экспериментально и объяснены теоретически впервые. Было показано, что для существования UGR/UCR требуется нарушение симметрии системы верх-низ, что исходно реализуется за счет хирального дефекта структуры, и не может быть реализовано при использовании планарного нематика. Проявление UGR и UCR мод далее было исследовано в системе с потерями. Были рассчитаны спектры микрорезонатора с красителем и показано, что в области фотонной запрещенной зоны для случаев UGR и UCR отличаются спектры пропускания, в то время как спектры отражения совпадают. Были определены параметры микрорезонатора для его экспериментального изготовления. Были изготовлены микрорезонаторы с нематиком и хиральным нематиком, допированные красителем пиррометен 567. Для ЖК задавались тангенциально-конические граничные условия. Исследовались спектры пропускания T(U), отражения R(U). Показано, что в спектрах пропускания реализуется режим «просветления». Для микрорезонатора с хиральным нематиком данный режим наблюдается для спектральной области от примерно 590 нм до 650 нм. В спектральной области 500-560 нм, соответствующей полосе поглощения красителя, с ростом приложенного напряжения U значение T(U) значительно увеличивается по направлениям s1 и s4, и практически не изменяется для направлений s2 и s3. При этом, в данной области спектра значение R(U) слабо изменяется с ростом напряжения U для всех 4-х направлений, подтверждая результаты численного моделирования. Для прямого экспериментального подтверждения существования UGR и UCR мод микрорезонатора в режиме «просветления» нами были исследованы спектры люминесценции хирального нематика с тангенциально-коническими граничными условиями, допированного красителем пиррометен 567. Возбуждение люминесценции происходило с помощью полупроводникового лазера с λ = 518 нм, излучение в ЖК слой заводилось по нормали к зеркалам. Для этого направления зеркала прозрачны для возбуждающего лазерного луча. Было показано, что в режиме «просветления» в спектрах люминесценции, снятых по направлению s4 отсутствуют эффекты, обусловленные резонансным усилением или ослаблением излучения, спектр излучения аналогичен спектру, полученному от ЖК ячейки. Для всех остальных напряжений в спектре люминесценции наблюдаются осцилляции интенсивности света, обусловленные влиянием микрорезонатора. Для направления s1 в режиме «просветления» наблюдается значительное ослабление эффектов, обусловленных резонансным усилением или ослаблением излучения. Для направлений s2 и s3 резонансные эффекты в спектрах люминесценции проявляются одинаково сильно при любом поданном напряжении. Данные зависимости в спектрах люминесценции объясняются тем, что в режиме «просветления» реализуется UGR мода не излучает по одному направлению (s4) и излучает в другом направлении, а UCR мода слабо излучает в одном направлении (s1) и сильно излучает во втором. Данный вывод находится в хорошем согласии с результатами численного моделирования. Мы предполагаем, что этот эффект может быть полезен для фотонных устройств, которые используют асимметричную связь между резонансными модами и исходящими/входящими волнами, например лазеров и направленных излучателей. Важно отметить, что такие устройства не требуют сложных методов нанотехнологий, а основаны на хорошо развитой платформе изготовления ЖК ячеек.