Покрытые полимерным материалом золотые наностержни могут использоваться в качестве усилителей лазерных частотных гребенок. Группа ученых из США и Мексики показала, что если такими частицами покрыть поверхность оптического резонатора, то необходимую для формирования частотной гребенки мощность можно снизить в 15 раз. Работа опубликована в ACS Photonics.

Оптические частотные гребенки — световые волны с особым видом спектра. Источник частотной гребенки возбуждает из одной световой волны целую серию волн, равномерно распределенных по спектру вокруг изначального сигнала. У таких устройств довольно широкая область применения: они используются в кибербезопасности, для определения токсичных веществ и в системах GPS. При использовании таких устройств для промышленных приборов разработчики обычно стремятся добиться максимальной добротности устройств, что приводит к увеличению их размеров и повышению необходимой для их работы минимальной мощности.

В новой работе ученые из США и Мексики решили исследовать возможность уменьшения размеров устройств для формирования оптических гребенок в инфракрасной области спектра и уменьшения необходимой мощности начального сигнала. Для этого к источнику лазерных импульсов с длиной волны 1550 нанометров они присоединили оптический микрорезонатор, представляющий из себя микросферу из оксида кремния. В таком микрорезонаторе за счет эффекта шепчущей галереи формируется вращающееся оптическое поле. При этом за счет квадратичного элеткрооптического эффекта — зависимости показателя преломления материала от приложенного электрического поля — происходит разделение частот и образование частотной гребенки вокруг изначально сигнала.

Схема устройства для изучения интенсивности формирующейся частотной гребенки. R. Castro-Beltran et al./ ACS Photonics, 2017

Чтобы увеличить интенсивность образующейся гребенки, исследователи нанесли на поверхность микросферы золотые наностержни, покрытые полиэтиленгликолем. Поверхностный плазмонный резонанс в наностержнях приводит к увеличению интенсивности волн, что в свою очередь вызывает формирование новых волн в органическом слое на поверхности наностержня. В результате совместное действие этих эффектов приводит к резкому уменьшению энергии, необходимой для формирования спектра.

Формирование оптической гребенки для микросферы без золотых наностержней (a) и в случае наностержней различной концентрации: 0,07 (b), 0,08 © и 0,125 (d) миллимоль на литр. R. Castro-Beltran et al./ ACS Photonics, 2017

Оказалось, что предложенная схема позволяет добиться формирования интенсивной гребневой структуры спектра шириной около 300 нанометров. При этом мощность начального импульса не превышала 2 гигаватт на квадратный сантиметр, а в зависимости от концентрации наностержней на поверхности частицы оксида кремния пороговая мощность для квадратичного электрооптического эффекта может доходить от 150 микроватт, что в 15 раз меньше, чем при отсутствии золотых наностержней.

По словам ученых, наибольшие перспективы разработанный ими механизм имеет для портативных спектроскопических устройств для химического анализа.

В зависимости от диапазона длин волн, в котором создается частотная гребенка, приложения для таких устройств могут быть довольно разнообразными. Так, инфракрасные лазерные частотные гребенки могут использоваться как калибровочный инструмент для больших наземных телескопов, ультрафиолетовые — для охлаждения и удержания легких атомов, а терагерцовые — для исследования излучения космических объектов.

Автор: Александр Дубов