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.