Людям с давних времен известен эффект шепчущей галереи. Это акустическое явление, которое свойственно любому круглому помещению с гладкими стенами ― например, его можно слышать во всемирно известной «шепчущей» галерее собора Святого Павла в Лондоне. В таких помещениях шепот человека, стоящего лицом к стене, хорошо распространяется по кругу зала, но не слышен в его центре. Это происходит из-за того, что звуковые волны многократно отражаются от округлых стен и формируют вдоль стены резонансные стоячие волны — так называемые моды шепчущей галереи. Объекты, в которых проявляется такой эффект, представляют собой дисковые или цилиндрические резонаторы и обладают всего лишь одной боковой стенкой, вдоль которой бежит акустическая или оптическая волна.
Распространение мод шепчущей галереи характерно и для кольцевых резонаторов, однако наличие двух боковых стенок вместо одной стенки диска должно приводить к новым акустическим и оптическим резонансным состояниям. Изучение свойств кольцевых резонаторов в различных режимах позволит найти для них новые применения в нанофотонике. Кроме того, кольцевые резонаторы уже выступают одним из основных строительных блоков передовых интегральных оптических схем и применяются в качестве сенсоров, детекторов и антенн в различных устройствах.
Схема эксперимента: физики поместили кольцевой резонатор из керамики в центр безэховой камеры, а на равноудаленном расстоянии в 4 м от него разместили излучающую и принимающую антенны. Изображение предоставлено Николаем Солодовченко.
Что сделали в ИТМО
Ученые ИТМО совместно с исследователями Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН продемонстрировали, что резонансные свойства кольца фундаментально отличаются от свойств диска, а акустическая и оптическая волны заполняют весь объем резонатора, а не только узкую область вдоль его внешней боковой стенки. Для этого они преобразовали диск в узкое кольцо при постепенном увеличении радиуса внутреннего отверстия и исследовали изменение резонансных свойств при такой перестройке структуры.
Авторы работы показали разнообразие резонансов, которые возбуждаются, а значит, детектируются и излучаются кольцевыми резонаторами. В отличие от дисковых резонаторов, кольцевые обладают четырьмя боковыми стенками, а потому в них возникают не только продольные, но и поперечные резонансы, а также можно наблюдать их взаимодействие. Это открывает новые возможности для применения диэлектрических резонаторов в акустике и фотонике.
Чтобы исследовать новые свойства кольцевых резонаторов, ученые ИТМО сделали предварительные расчеты и провели эксперимент в безэховой камере — так называют помещение, в котором полностью поглощаются звуковые или электромагнитные волны. Физики поместили кольцевой резонатор из керамики для радиочастотного диапазона с очень малыми тепловыми потерями в центр камеры, а на равноудаленном расстоянии от него разместили излучающую и принимающую антенны. Затем исследователи измерили спектры рассеяния света, которые совпали с изначальными расчетами, и обнаружили новые явления в спектрах кольцевых резонаторов: резонанс Фано и эффект Керкера, связанные состояния в континууме, исключительные точки в параметрическом пространстве. Их изучение может пролить свет на природу различных линейных и нелинейных эффектов, в том числе усиление фотолюминесценции и генерацию гармоник высокого порядка.
Эксперимент позволил теоретически и экспериментально продемонстрировать различные новые эффекты. Например, ученые смогли увеличить добротность резонатора (это поможет повысить его чувствительность как антенны или сенсора), а также получили нулевое рассеяние света на кольце, что позволяет сделать реальный диэлектрический объект практически невидимым в определенном спектральном диапазоне. Обнаружение новых свойств диэлектрических резонаторов открывает сразу несколько возможностей: во-первых, можно более свободно выбирать параметры резонатора и рабочей длины волны, а также иметь возможность переключаться между нулевым и максимальным сигналом в разных спектральных диапазонах.
Визуальное отличие резонансных свойств кольца (справа) от свойств диска (слева): оптическая волна заполняет весь объем кольцевого резонатора, а не только узкую область вдоль его внешней боковой стенки, как это происходит у диска. Изображение предоставлено Николаем Солодовченко.
Где можно применить результаты исследования
В будущем результаты исследования позволят расширить фундаментальное понимание связанных состояний в континууме и создать на их основе улучшенный BIC-лазер из кольцевых резонаторов, который, в отличие от дискового, будет многомодовым. Такой лазер можно настроить на излучение света с определенной длиной волны — например, это актуально для целого ряда медицинских применений.
«В науке, как и в жизни вообще, большую роль играют стереотипы. Именно такая ситуация сложилась с изучением резонансных фотонных свойств кольцевых резонаторов. Их исследованию и применению посвящены сотни публикаций, в которых авторы рассматривали функционирование кольцевых резонаторов в режиме мод шепчущей галереи. Именно поэтому наша работа неоднократно отвергалась редакциями ведущих журналов: рецензенты просто не могли поверить, что в многократно исследованных кольцевых резонаторах скрывается что-то еще, причем гораздо более интересное и перспективное. Наш коллектив сумел выйти за рамки этих стереотипов, в результате чего появилась статья в высокорейтинговом журнале — и это только начало новой области исследований. Идеи, которые родились при изучении кольцевых резонаторов, мы уже используем для новых работ, так как оптических резонаторов различной геометрической формы много и теперь мы понимаем, какие новые свойства могут быть обнаружены и использованы на практике», — рассказал один из авторов исследования и аспирант физического факультета Николай Солодовченко.
Статья: Nikolay Solodovchenko, Mikhail Sidorenko, Timur Seidov, Igor Popov, Elizaveta Nenasheva, Kirill Samusev, Mikhail Limonov. Cascades of Fano resonances in light scattering by dielectric particles (Materials Today, 2022).
