Физики МГУ достигли рекорда добротности для следующего поколения магнитооптических резонаторов в микрооптике
Учёные кафедры физики колебаний физического факультета МГУ впервые изготовили оптический микрорезонатор с рекордной добротностью – эта характеристика показывает число колебаний в колебательном контуре, которое совершает световая волна до затухания. В данном случае рекорд добротности относится к микрорезонаторам из материалов, обладающих сильным магнитооптическим взаимодействием. Такие микрорезонаторы могут помочь в создании более дешевых модуляторов, ячеек памяти, магнитных сенсоров и стать новым поколением резонаторов в электронике.
Микрорезонатор сделан из кристалла и может поместиться на кончике пальца. Он изготовлен в форме диска диаметром в несколько миллиметров для того, чтобы получать резонанс в гигагерцовом диапазоне. Резонанс в таких диапазонах нужен для радиофотонных применений. Высокую добротность на данный момент можно получить только в кристаллических резонаторах, в промышленном масштабе такое пока что недоступно. Кристаллические резонаторы предназначены для единичных исследовательских установок – то есть пока это скорее узкоспециализированный продукт.
Исследователи сумели продемонстрировать рекордную добротность (Q = 1.45×108) среди магнитооптических материалов. Высокая добротность означает, что свет внутри микрорезонатора практически не теряет свою энергию и может проходить в нём очень большое расстояние, отражаясь от стенок микрорезонатора. Такая конструкция может быть использована в различных электронных устройствах: от модуляторов до различного рода сенсоров.
Микрорезонатор был сделан методикой алмазного точения. Для этого использовался станок, изначально предназначенный для изготовления контактных линз и искусственных хрусталиков человеческого глаза, а теперь адаптированный под научные цели. Последовательность изготовления такая: сначала берут кристалл и на станке вытачивают диск с закруглённым периметром, затем обрабатывают его суспензией с крупной алмазной крошкой. После этого кристалл промывают и снова обрабатывают алмазной крошкой, но на этот раз более мелкой. С каждым разом зёрна алмазной крошки всё меньше, а шлифовка кристалла точнее. Так через несколько циклов получается высокодобротный оптический микрорезонатор – он настолько хорошо «отполирован» в процессе изготовления, что запущенный в микрорезонатор свет, бегая по кругу и отражаясь от стенок, практически не теряет свою энергию. Именно малые энергетические потери и обеспечивают такое рекордное значение добротности.
В качестве кристалла для изготовления был выбран тербий галиевый гранат. У него большая постоянная Верде (отвечает за магнитооптические характеристики) и низкое оптическое поглощение. Получающийся из такого материала резонатор относится к резонаторам с модами шепчущей галереи. Это красивое название обозначает специальный тип колебаний, распространяющихся внутри резонатора, по аналогии с акустическими колебаниями в Шепчущей галерее собора в Лондоне, которые исследовал и объяснил лорд Рэлей. Чем-то распространение «шепчущей волны» похоже на явление полного внутреннего отражения, потери энергии в таких резонаторах малы, поэтому в них может быть достигнута высокая добротность.
«Видов магнитных сенсоров существует множество, и микрорезонатор из тербий галиевого граната уступает многим другим устройствам в ряде характеристик. Тем не менее, наш микрорезонатор имеет свои преимущества: возможность обнаружения более высокочастотных полей и отсутствие насыщения при любых достижимых значениях напряженности магнитного поля» - объясняет руководитель научной группы, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики колебаний Игорь Антонович Биленко.
«Мы исследовали воздействие магнитного поля на оптический микрорезонатор, показали в нём наивысшую добротность среди других резонаторов с сильным магнитооптическим взаимодействием, построили численную модель взаимодействия» - рассказывает первый автор статьи, магистрант кафедры физики колебаний Андрей Николаевич Данилин.
В дальнейшем планируется исследовать взаимодействия ортогонально-поляризованных семейств оптических мод через взаимодействие с высокочастотным магнитным полем, применения в качестве оптических изоляторов.
Исследование опубликовано в журнале Optic Letters.
Название статьи: «Magneto-optical effects in a high-Q whispering-gallery-mode resonator with a large Verdet constant».
Физический факультет МГУ, кафедра физики колебаний, руководитель научной группы: Игорь Антонович Биленко.
рис. 1: фотография микрорезонатора (маленький цилиндр перед призмой на ступенчатой подставке).
рис. 2: станок для точения микрорезонаторов с использованием алмазной крошки.
Команда Медиацентра факультета