В своей работе, которая выполнялась совместно с коллегами из Института фотонных технологий им. Лейбница в Германии и Австралийского национального университета, группа исследователей предложила использовать диэлектрическую наноструктуру из нитрида кремния, помещенную на торец оптического волокна, для усиления эффективности захвата света. Исследование проводилось при поддержке Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС», Немецко-Российского междисциплинарного научного центра (G-RISC) и Российского научного фонда.
Дело в том, что эффективность захвата света в оптоволокно стремительно снижается при больших углах падения. Например, при угле падения света всего в 15 градусов эффективность его захвата уменьшается практически до нуля. Это значительно ограничивает функциональные возможности удаленного сбора света и потенциал применения оптических волокон в медицине при измерениях внутри живой ткани, например при эндоскопии, в квантовых технологиях и биодетектировании, в том числе при захвате одиночных фотонов и молекул.
Однако ученым удалось решить фундаментальную задачу захвата света за счет нанесения диэлектрической наноструктуры на торец оптоволокна. Это привело к усилению эффективности сбора света в тысячи раз по сравнению с предыдущими аналогами при углах падения даже больше 70 градусов.
Слева: диэлектрическая наноструктура на торце оптоволокна. Справа: увеличение эффективности. Иллюстрация из статьи. Источник: ACS Photon. 7, 2834 (2020); ©2021 ACS
В 2021 году группа ученых подала заявку на включение работы в декабрьский специальный выпуск журнала Optics & Photonics News. По регламенту каждую заявку оценивают 5–6 представителей международного научного сообщества Optica, работающих в сфере оптики и фотоники, после чего редакторы специального выпуска выбирают 30 наиболее выдающихся исследований года, опубликованных с сентября 2020 года по август 2021 года.
По мнению ученых, включение их работы в список лучших исследований по версии Optics & Photonics News не только почетно и престижно, но и поможет привлечь больше внимания к разработке и междисциплинарной области исследований на стыке волоконной оптики и нанофотоники.
«Думаю, можно выделить несколько причин, почему наша разработка попала в топ. Во-первых, нам удалось продемонстрировать выдающийся эффект улучшения эффективности важного повседневного устройства. Известно, что повышение эффективности солнечных батарей на 0,5% уже считается серьезным результатом. Нам же удалось усилить эффективность сбора света в оптоволокно, по крайней мере, в 10 000 раз. Такой результат сложно оставить без внимания. Во-вторых, в рамках этой работы нам удалось заложить фундаментальные основы нового междисциплинарного научного направления, объединяющего области волоконной оптики и нанофотоники. Мы показали, что “апгрейд” оптоволокон с помощью нанофотонных структур обладает высоким потенциалом и может привести к существенному улучшению их функциональности. Наконец, результаты нашей работы могут найти вполне реальное практическое применение, например в эндоскопии и лапароскопии. Мы верим, что результаты наших дальнейших исследований в направлении улучшения функциональности оптических волокон со временем войдут в повседневную жизнь», — отметил Олег Ермаков.
Олег Ермаков. Фото: ITMO.NEWS
Структурирование оптоволокна является сложным технологическим процессом. Однако в последние годы благодаря развитию технологий изготовления наноструктур на необычных подложках ученым удалось значительно продвинуться в этом направлении. По словам исследователей, выдающийся результат работы является заслугой слаженной работы теоретиков, технологов и экспериментаторов. В будущем они планируют удешевить процесс изготовления наноструктур на торце оптоволокна и написать автоматический алгоритм для оптимизации дизайна наноструктур. Ученые предполагают, что потребуется около пяти лет, чтобы создать конечный продукт и предложить его индустрии.
