Российские физики изучили преобразование частоты оптического излучения в нелинейных фотонных кристаллах с гексагональной структурой. Эти кристаллы можно будет применять в телекоммуникационных системах. Результаты работы опубликованы в журнале Laser Physics Letters и представлены на Международной молодежной конференции по люминесценции и лазерной физике.

Когда два фотона распространяются в нелинейной среде — такой среде, где отклик на действие внешнего излучения нелинейно зависит от интенсивности этого излучения — есть определенная вероятность, что в результате взаимодействия они преобразуются в третий фотон. Частота этого фотона и другие его характеристики, например, импульс и энергия, будут определяться соответствующими характеристиками исходных фотонов и условиями взаимодействия. Такой процесс называется нелинейно-оптическим преобразованием частоты оптического излучения.

Эффективность такого взаимодействия без выполнения определенных условий крайне низка, поскольку вероятность этих процессов мала. Поэтому в экспериментах ученые используют интенсивные лазерные источники и подбирают специальные условия распространения в нелинейной среде, что позволяет наблюдать указанные эффекты невооруженным глазом.

Одна из разновидностей нелинейных сред — нелинейные фотонные кристаллы. В большинстве случаев это периодические структуры, в которых определенный параметр — нелинейная восприимчивость — модулируется, то есть периодически изменяется в пространстве в одном или нескольких направлениях. Такая модуляция влияет на процесс преобразования частоты лазерного излучения. Это позволяет с их помощью получить когерентное (с одной длиной волны) оптическое излучение на желаемых частотах.

«Мы теоретически рассмотрели нелинейно-оптическое преобразование частоты в двумерном нелинейном фотонном кристалле. При этом домены кристалла — элементарные единицы объема его структуры — были гексагональной формы. Вместо одного исходного пучка в нелинейной структуре генерируются пучки, которые распространяются строго под определенными углами. Такой процесс преобразования можно рассматривать как нелинейный аналог дифракции Брэгга — типа рассеяния волн на системе периодически упорядоченных элементов», — рассказал один из авторов статьи Андрей Вьюнышев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лаборатории когерентной оптики Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН.

В комплексном исследовании принимали участие теоретики, технологи и экспериментаторы. В качестве образца нелинейного фотонного кристалла физики взяли сегнетоэлектрический кристалл ниобата лития — кристалл со спонтанной поляризацией, направление которой можно изменить внешним электрическим полем. Исследуемый образец содержал домены гексагональной формы, упорядоченные в объеме образца. Авторы измеряли распределение интенсивности излучения на определенной длине волны. Разработанная теоретическая модель позволила с высокой точностью предсказать основные характеристики преобразованного излучения.

Также ученые получили выражение, которое может быть интерпретировано как закон нелинейной дифракции Брэгга в двумерных нелинейных фотонных кристаллах. Это позволит определить пути повышения эффективности преобразования в двумерных нелинейных фотонных кристаллах.

Ученые планируют оптимизировать параметры структуры, чтобы повысить эффективность преобразования. Также с помощью таких структур они хотят реализовать оптические параметрические взаимодействия. Это может найти применение в нелинейно-оптических преобразователях, которые способны изменять частоту и пространственную структуру излучения, делая ее многопучковой. Сейчас используются только однопучковые оптические преобразователи частоты.

«Переход к двумерным нелинейным оптическим структурам позволит одновременно генерировать серию световых пучков, что представляет интерес для разработки многоканальных аналогов интегрированных преобразователей для телекоммуникационных приложений и фотолитографии. Более того, нелинейно-оптические процессы — это источники неклассических световых полей, поэтому они вызывают сейчас значительный интерес в квантовой информации», — заключил Андрей Вьюнышев.

Работу выполнили сотрудники Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН, МГУ имени М.В. Ломоносова и Сибирского и Уральского федеральных университетов.