Современные методы управления светом

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Фотоника и квантовые материалы», посвященный изучению световых потоков и квантовых технологий. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Фотоника и квантовые материалы» Сколтеха Николай Гиппиус рассказывает о методах изменения свойств распространения света.

Сегодня я бы хотел обсудить вопрос о том, какие существуют современные методы управления светом. Может быть, эта фраза звучит очень необычно, но, если посмотреть на то, что такое свет, каждый из нас знает, что это такое. Первое, что видит человек, родившись, — это свет. Дальше идет большой и сложный процесс, когда человек учится получать информацию через световой, зрительный канал. Очень важно понимать, что свет, который нас окружает, от Солнца ― свет, приходящий от раскаленного тела, находящегося при температуре 6000 °C. Всю человеческую жизнь большинство источников света было именно такого типа ― свет, исходящий от нагретых тел. В природе тем не менее есть другие примеры ― например, светлячки, которые испускают свет, но они не горят, их можно взять и не обжечься. А если взять раскаленный гвоздь, который светит красным светом, — каждый знает, что получится.

За последние 100 лет произошел фундаментальный прорыв в технологии, позволивший человеку научиться получать холодный свет. Не совсем аналог светлячков, но вы получаете яркий белый свет, который похож на солнечный свет, и при этом вы можете спокойно взять лампочку в руки и не обжечься. Теперь каждый это знает ― у многих наверняка в доме есть такие современные лампочки. А от старых ламп накаливания во многих местах просто отказываются.

Появление новых источников света невероятно расширило возможности применения света во всей технологии. В повседневной жизни свет распространяется по прямой линии, мы используем его, когда смотрим друг на друга. Если он распространяется по каким-то средам, то мы знаем, что, например, в воде все сильно видоизменяется, поэтому поверхность воды радикально меняет условия распространения света. Происходят эффекты преломления, отражения — все это уже многие годы, многие века используется человечеством в обычной, классической оптике, где основным объектом является линза и вогнутое зеркало. В последние годы происходит совершенно фундаментальный прорыв в этом направлении, потому что люди научились использовать микроструктурированные поверхности, для того чтобы контролировать распространение света. Об этом я в основном буду говорить в своей лекции.

В качестве первого примера, который многие знают, я упомяну так называемые волоконно-оптические линии связи. Что это такое? Это объект, который позволяет свету распространяться вдоль светового волокна. Это позволяет радикально изменить использование света, потому что если вы положили волокно там, где вам нужно, то по нему пройдет свет. Он уже не будет распространяться по прямой, а будет распространяться вдоль вашего волокна. Это позволило радикально изменить все телекоммуникационные линии связи, потому что сейчас большинство магистральных телекоммуникационных линий — это оптоволоконные линии. Сейчас в Москве в большинстве случаев до квартиры доведены оптоволоконные линии связи, но люди хотят сделать следующий ход: идет работа над тем, чтобы световая информационная магистраль продвигалась дальше, внутрь приборов. Возникает большая проблема, потому что волоконные линии связи всем хороши, но их нельзя, например, сильно согнуть. Вы не можете резко изменить ход света: изгибы должны быть плавными.

Оказалось, что проблему можно решить, если вы специальным образом модифицируете поверхность, структуру вещества. Теперь под веществом, под материалом понимают не столько химический элемент, сколько архитектуру и структуру вещества. Для распространения света она имеет не меньшее значение, чем химическое соединение. В качестве примера я вам приведу довольно забавную систему, чтобы стало понятно, насколько чудесными бывают свойства распространения света.

Представьте оконное стекло, которое вы все очень хорошо знаете. От него отражается свет. Например, ночью, когда вы смотрите из светлой комнаты на улицу, вы ничего не видите, а в светлый, яркий день, смотря с улицы, не можете понять, что происходит в комнате. Происходит это потому, что часть света, примерно 4%, отражается. Представьте себе, что вы взяли и сильно уменьшили толщину стекла. Толщина обычного оконного стекла ― 3 миллиметра, а возьмите его в 1000 раз меньше, в 3 микрона, или еще в 30 раз меньше — порядка долей микрона. По такому стеклу может распространяться точно так же, как по световоду, волноводная мода. Если я нанесу в этом стекле узор из дырочек, то я уберу дополнительный материал. И оказывается, что, убирая дополнительный материал, просверливая дырочки в тоненьком-тоненьком стекле, я могу кардинально поменять коэффициент отражения стекла. Если исходная, немодулированная пленочка имеет довольно низкий коэффициент отражения, порядка 10%, то, нанося узор из дырочек, вы можете довести его до 100%. То есть определенный свет будет отражаться очень сильно.

Этот пример показывает, что довольно простыми средствами ― в данном случае нанесением дырочного узора ― вы можете радикально поменять свойства распространения света и фактически начать управлять им. Этот простой пример я использую для того, чтобы показать, насколько важно знать конкретно архитектуру и структуру, потому что тот свет, который будет отражаться, напрямую зависит от периода дырочного узора, от размера этих дырочек. Все это надо уметь моделировать, уметь описывать, уметь рассчитывать.

Мы подходим к основному направлению, которым я занимаюсь, а именно к моделированию оптических свойств сложных структур на поверхности твердых тел в оптических системах. Для описания оптических свойств сложных систем используются уравнения Максвелла. Они были написаны в конце XIX века, с тех пор многократно проверены и очень хорошо описывают многочисленные оптические явления. Проблема заключается в том, что для сложных систем со сложной архитектурой поверхности решение их в аналитическом виде не представляется возможным. Поэтому очень важно развивать численные методы, которые позволяют описывать оптические свойства систем, чем мы в том числе и занимаемся. На основании этих подходов удается описать довольно разнообразные оптические эффекты, такие как коэффициент отражения, преломления, дифракция. Более того, найти распределение магнитных полей в структурах, которые, в свою очередь, позволяют описать такие эффекты, как видоизменение оптического отклика при малом возмущении системы, при привнесении в нее каких-то дополнительных материалов. Это позволяет судить о том, насколько те или иные структуры пригодны в качестве анализаторов присутствия примесей, веществ в окружающей нас среде.

Благодаря огромному прогрессу в микротехнологии открылась возможность практически безграничной верификации структуры поверхности. О них даже подумать нельзя было 50 или 100 лет назад. Открывается возможность совершенно по-новому смотреть на способы контроля распространения света уже в микромасштабе. То же самое оптоволокно нельзя сильно изогнуть: если вы переломите оптоволокно, оно перестанет работать ― свет начнет очень сильно рассеиваться в месте излома. В то же время, если мы хотим транспортировать свет по нашим сложным приборам, например по мобильному телефону, который имеет конечные размеры, мы должны иметь возможность изгибать траекторию движения света в существенно меньшем масштабе. Оказалось, что такие структурированные материалы позволяют решать эту задачу. Даже используется специальный термин ― «фотонный кристалл» или «метаматериал», который широко применяется в этой области (возможно, некоторые из вас слышали эти понятия). Расчет фотонных кристаллов (метаматериалов) является предметом наших исследований. Нами и массой других исследователей получено очень много интересных результатов.

Сейчас речь идет о том, что, изменяя структуру вещества, мы можем радикально менять свойства распространения в нем света. Есть надежда, что подбором соответствующих узоров или архитектур удастся сымитировать работу классических элементов, но в существенно более компактном и миниатюрном приборе. Например, сейчас ведутся активные исследования по замене линз в портативных приборах, таких как мобильный телефон, на системы, основанные на метаповерхностях. Эта задача очень сложная, я пока совершенно не понимаю, как можно избавиться от хроматических аберраций в этих системах. Но это активно исследуемая область, которая через некоторое время покажет нам большой набор успехов, и мы, безусловно, будем этим пользоваться через вполне ограниченное время.

Второе очень важное направление исследований, которое ведется и у нас, и в мире, ― это так называемые нелинейные явления в оптических системах, в фотонных кристаллах, резонаторах. Под нелинейным явлением понимается ситуация, когда оптические свойства материалов начинают зависеть от яркости (как говорят физики, интенсивности) света, проходящего по системе. Когда интенсивность света увеличивается, меняется коэффициент преломления и поведение нашей системы. Открывается очень большая область, которая давно исследуется и будет продолжать исследоваться, потому что, меняя архитектуру поверхности, мы можем преднамеренно создавать области, где яркость света очень высокая или, наоборот, очень низкая. Мы можем контролируемым образом менять нелинейные оптические эффекты, причем менять их на масштабах, сопоставимых с длиной волны.

Все это открывает очень большие возможности по инжинирингу оптических свойств материалов. Это область, которая, я уверен, через некоторое время проявит себя, потому что были многочисленные подходы в этом направлении, очень важно иметь адекватную технологию. Сейчас, если посмотреть на развитие технологий микроструктурирования систем за последние 50 лет, успех очень большой. Возможности, предоставляемые этими исследователями для изменения оптических свойств метаматериалов, тоже трудно переоценить.

Заканчивая короткую лекцию, мне хочется сказать, что область исследования свойств света за 10 минут не то что обозреть — затронуть самые важные части невозможно, поэтому огромное количество материалов просто не было рассмотрено. Но, я надеюсь, вы поняли, что это область, в которой ведется активная работа и которая будет востребованной в ближайшие годы.