5(Оптика, оптоэлектроника)

Нанооптика и нанофотоника

Нанооптика является разделом оптики, в которой изучаются взаимодействие излучения наноразмерных полей с атомами, молекулами и нанотелами. Нанофотоника является разделом нанооптики, в которой исследуются нанополя со считанным количеством фотонов и исследуются поведение света на нанометровой шкале. Из общих физических соображений следует, что нанополя могут существовать и создаваться только вблизи поверхностей материальных сред, нанополя зависят от размеров и топологии материальных сред. Основной интерес к нанооптике обусловлен возможностью преодоления дифракционного предела в пространственном разрешении волновой микроскопии. Основной интерес к нанофотонике – это возможность увеличения величины напряженности электромагнитного поля при заданной величине энергии поля.

Использование тонких металлических пленок на поверхности диэлектрика позволяет существенно увеличить интенсивность лазерного поля возбуждением поверхностных плазмонных, увеличить предельные углы отражения атомов. Пространственно модулированная поверхностная волна является идеальной дифракционной решеткой для атомных волн де Бройля, что было успешно продемонстрировано экспериментально .

Одномерное нанополе использовалось при создании атомного зеркала , дифракционной решетки и сканера атомных волн де Бройля , для атомных нано ловушек , двумерное нанополе – для фокусировки атомов, создания атомных нанострукрур на поверхности и атомных нановолноводов, трехмерное нанополе - создания атомных ловушек .

“Просачивание” поля через малое отверстие в экране создает пространственную неоднородность интенсивности поля. Характерный размер нанополя определяется размером отверстия и может быть существенно меньше длины волны света.

Существенным недостатком поля, локализованного вблизи одиночного отверстия, является тот факт, что это поле неразрывно связано с полем сопутствующей стоячей волны, что является нежелательным для многих применений, например для атомной фокусировки.

Оптический нановолновод обеспечивает с единичным инжектируемым в волновод фотоном сильное поверхностное световое поле. Нановолновод использовался при исследовании взаимодействие лазерного нанополя с ансамблем ультра холодных атомов.

Нановолновод с инжектируемым в него лазерным излучением представляет возможность создания атомного волновода. Поверхностная волны нановолновода обеспечивают удерживающий атом потенциал вблизи поверхности.

Из многочисленных применений трехмерно локализованных нанополей -«фотонных точек» и «фотонных дырок» отметим только два: (1) для фокусировки атомов и (2) для нано локализации атомов. В случае "фотонной дырки" нанометровая область слабых полей окружена сильным полем внутри и будет происходить его фокусировка.Чрезвычайно важно, что основное движение фокусируемых пучков происходит в области слабых полей и поэтому вероятность спонтанных распадов, приводящих к дефокусировке пучка, в этом случае чрезвычайно мала."Фотонная точка", при отрицательной расстройке частоты втягивает в себя атомы, и таким образом снова происходит их фокусировка.

К настоящему времени реализованы атомные ловушки, основанные на использовании магнитных полей, электрических полей, лазерных и лазерно-магнитных полей. Характерной особенностью всех реализованных атомных ловушек является их малая глубина, поэтому локализация атомов в таких ловушках стала возможной только после развития методов лазерного охлаждения нейтральных атомов. В лаборатории реализован новый тип ловушки для нейтральных атомов , основанной на поверхностной потенциальной яме - поверхностная наноловушка. Показана возможность создания атомных микроструктур на поверхности с использованием поверхностной ловушки.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ

Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала , используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Наноструктурированное оптоволокно может быть изготовлено целиком из одного типа стекла. Внешний слой с низким показателем пре­ломления здесь заменен на большое количество цилиндрических полостей, заполненных определен­ным газом или просто воздухом: стеклянные капилляры относительно большого размера складываются вместе в желае­мую структуру, которая в последствии вытягивается под нагревом в оптоволокно с определенным рас­положением воздушных полостей, геометрия ко­торых определяется изначальным расположением капилляров. В зависимости от того как реализован механизм полного внутреннего отражения, такие волокна можно разделить на два типа: полостные волокна и волокна на фотонных кристаллах. Полостные волокна:стеклянная центральная часть окружена набором цилиндрических воздуш­ных полостей, что снижает эффективный показа­тель преломления и сильно модифицирует эффект полного внутреннего отражения. Поскольку раз­мер воздушных полостей и расстояние между ними сравнимы с длиной волны света, то эффективный показатель преломления будет варьироваться с длиной волны проходящего света. Результатом этого является способность та­кого оптоволокна нести только одну моду, вне за­висимости от длины волны. Такие волокна обычно используются для передачи высоких мощностей света и обладают низкой нелинейностью.

Оптоволокно с фотонным кристаллом использует идею полного внутреннего отражения. Локализация света в центре такого волокна происходит за счет явления интерференции на периодической струк­туре с размером порядка длины волны, созданной решеткой цилиндрических полостей — фотонным кристаллом. Идея фотонного кристалла состоит в том, что в периодической структуре лучи света, отраженные от областей с разным показателем преломления, будут интерферировать друг с другом, усиливаясь или ослабляясь в зависимости от соотношения дли­ны волны и периода структуры. Подобные явления придают яркую окраску крыльям некоторых бабо­чек и голограммам на кредитных карточках. В фотонном кристалле интерференциия запре­щает распространение для целого диапазона длин волн — в этом случае мы говорим о «запрещенной зоне» . Такие запрещенные моды (длины волн) будут локализованы в центральной части волокна на всем его протяжении. Таким образом мы избавляемся от необходимо­сти создавать определенную разницу в показателях преломления между внутренней и внешней обла­стями в оптоволокне — выбор материала для вну­тренней части теперь ничем не ограничен. Более того, чаще всего используются полые волокна с фо­тонным кристаллом, где свет распространяется вну­три воздушной полости в центре волокна . Преимущество таких волокон состоит в бесконечно малой дисперсии, поскольку свет теперь распро­страняется в практически бездисперсионной среде — воздухе.

ОПТОЭЛЕКТРОНИКА

Оптоэлектроника – раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрически ток и обратно, а также с применением светового излучения в электронных устройствах. Наночастицы на наноуровне ведут себя подобно электронным элементам. Оптоэлектроника дает наносхемам три главных преимущества. Первое– это сама возможность дальнейшей миниатюризации электронных схем. Второе - использование оптических частот позволяет увеличивать пропускную способность. Третье заключается в низком энергопотреблении таких схем. Одна из трудностей- наноструктурам сложно придать необходимую форму. Также сложно разместить их по определенной схеме. Для решения этой задачи ученые планируют использование современных технологий производства наноструктуры из метаматериалов.

РАЗРАБОТКИ

1.ближнепольный микроскоп, с помощью которого был преодолен дифракционный предел в оптике. Предельное разрешение, для зонда с алюминиевым покрытием в видимом диапазоне спектра составляет примерно 13 нм. Это позволило изучать биологические объекты без их повреждения и в естественном окружении. Так же это важно для наноэлектроники для исследования поверхности и топологии элементов с высокой локальностью. При наблюдении космических объектов, стало возможным определить размер объекта (например, диаметр звезды) даже если он значительно меньше длины волны регистрируемого излучения.