Исследователи изучили свойства нового оптического устройства. Его можно будет использовать в качестве сенсора, фильтра и переключателя в области телекоммуникаций, фотоники и оптоэлектроники, а также для имитации биологических объектов. Статья с описанием работы была опубликована в журнале Scientific Reports.

Видимый свет представляет собой электромагнитные волны, которые ощущают наши глаза. Цвет, который мы видим, определяется длиной волны — расстоянием между двумя ближайшими повторяющимися гребнями волны. Если эта величина, например, лежит в диапазоне 510–550 нанометров, наш глаз воспримет такую волну как зеленый свет. У белого света нет определенной длины волны, в качестве него наш мозг интерпретирует смесь множества электромагнитных волн с разными длинами. Кроме того, электромагнитные волны поляризацией, которая характеризует направление колебания вектора напряженности электрического поля в волне. Если перед электромагнитной волной поставить горизонтально ориентированный поляризатор, то на выходе получится волна, линейно поляризованная в горизонтальной плоскости, независимо от того, какая у нее была поляризация до этого.

Для изучения свойств звезд, новых материалов, археологических объектов и многого другого исследователям необходимо получить спектр излучения тела, то есть узнать, из каких именно компонент состоит «цветовая смесь». В этом им помогают спектральные приборы, одним из которых является резонатор Фабри — Перо. Он состоит из двух параллельных зеркал, которые могут отражать или пропускать свет. В зависимости от зазора между зеркалами через резонатор проходят только волны определенных длин. После того как «цветовая смесь» пропущена через резонатор, она разлагается в «радугу», каждая полоса которой отвечает одной конкретной компоненте «цветовой смеси».

В своей работе ученые исследовали специальную структуру резонатора Фабри — Перо, в котором многослойные зеркала аналогичны фотонным кристаллам. Они образуют запрещенную зону в спектре: если цвет волны соответствует этой зоне, то электромагнитная волна отражается от зеркала. Главная особенность новой структуры — тонкий слой жидкого кристалла между зеркалами. Закручивание жидкого кристалла приводит к потере зеркальной симметрии, а прикладывание к устройству электрического напряжения восстанавливает симметрию.

Ученые измерили поляризацию света, проходящего через такой резонатор. Экспериментально и теоретически удалось показать, что благодаря симметрии резонирующий, эллиптически поляризованный свет на выходе резонатора всегда поляризуется линейно, а при наличии электрического напряжения плоскость поляризации поворачивается.

Схематическое изображение экспериментальной установки. Зеркала резонатора формируются из чередующихся слоев оксидов кремния SiO₂ и циркония ZrO₂ на стеклах с прозрачными ITO-электродами. Электрическое напряжение позволяет переориентировать твист-нематический жидкий кристалл, помещенный между зеркалами, управляя цветом и поляризацией выходящего луча / Иван Тимофеев

«Следует отметить, что конкретные устройства – не единственная цель нашего исследования. Резонаторы Фабри — Перо, заполненные жидким кристаллом, являются удобными моделями, способными имитировать ряд биообъектов, так как для биоструктур в растениях и животных характерно присутствие мультислойного упорядочения и несимметричности биомолекул (белков, ДНК и тому подобное)», – прокомментировал один из авторов статьи, сотрудник Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН и профессор Сибирского федерального университета Иван Тимофеев.

Работа выполнена совместно с коллегами из Национального университета Цзяотун, Тайвань.