Семинар НОи ММ КЭ МГУ 03 июня 2016

Семинар НОи. ММ КЭ МГУ, 03 июня 2016 года Локализованные волны в фотонном кристалле: частотная дисперсия, керровская нелинейность и оптическая анизотропия Тимофеев И. В. , tiv@iph. krasn. ru Научный консультант: д. ф. -м. н. , проф. Ветров С. Я. 1

Реальные фотонные кристаллы (ФК)

Фотонный кристалл и локализованная волна дефектный слой ФК = оптическая полость = резонатор Фабри-Перо

Локализованные волны Частотная дисперсия • O Металл-диэлектрический нанокомпозит • Многоуровневая квантовая система Керровская нелинейность • Оптическая необратимость Оптическая анизотропия • Квазипересечение оптических мод • Бистабильность жидкого кристалла • Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • Хиральные поверхностные состояния

Расщепление дефектной моды в ФЗЗ Ветров С. Я. , Тимофеев И. В. , Авдеева А. Ю. // ЖЭТФ, 2011

Композит металлических наночастиц. Формула Максвелл-Гарнетта Диэлектрическая формулой рассмотрении проницаемость Максвелла-Гарнетта, матричных сред, нанокомпозита широко когда в определяется применяемой материале при матрицы диспергированы изолированные включения малой объемной доли: Диэлектрическая проницаемость металла определяется с помощью приближения Друде: Ораевский А. Н. , Проценко И. Е. // Письма в ЖЭТФ, 2000 9

Модель двумерного фотонного кристалла Тип б Нанокомпозит 200 нм Ветров С. Я. , Тимофеев И. В. , Рудакова Н. В. // ФТТ, 2011

Распределение поля в ФК Пространственное распределение интенсивности для частоты, соответствующей максимуму дополнительного пропускания в ЗЗ. Тип а Тип б

Модифицированный метод плоских волн где Беликов А. В. , Богданова М. В. , Лозовик Ю. Е. // Мат Моделирование, 2007

Зонная структура двумерного ФК - период структуры, - характеристическая частота, - фактор заполнения - доля диэлектрика в ФК (для типа а), - усредненный показатель преломления среды, M = 121 - количество плоских волн при разложении поля в ряд Фурье. Ветров С. Я. , Тимофеев И. В. , Рудакова Н. В. // ФТТ, 2010

Спектр пропускания и зонная структура ФК Ширины запрещенных зон спектра пропускания пластинки ФК согласуются с ширинами щелей в направлении x зоны Бриллюэна. Спектр пропускания пластинки ФК толщиной Зонная структура неограниченного ФК

Оптическое таммовское состояние уравнение Шредингера Тамм ЖЭТФ 1933 уравнение Максвелла Кавокин 2005 Калитеевский 2007 Виноградов УФН 2010 Афиногенов 2013

Анизотропный нанокомпозит в качестве слоя фотонного кристалла Продолговатые эллипсоиды – наночастицы серебра, обеспечивающие уникальные поляризационные свойства фотонного кристалла Vetrov, Bikbaev, Timofeev // Отправлено в Opt. Comm. 2016; ЖЭТФ 2013

db = 40 нм. da = 74 нм. db = 55 нм. da = 110 нм Спектр пропускания системы для различных величин отношения длин полуосей наносфероида при фиксированном факторе заполнения и толщине нанокомпозитного слоя. dmix=150 нм, f=0, 3

Наночастицы с оболочками Vetrov, Pankin, Timofeev // JOpt, 2016

Два ОТС в двух запрещенных зонах Рис. 7. Коэффициент пропускания T ФК, сопряженного со слоем НК, в зависимости от длины волны падающего света. Синим цветом показана действительная часть ДП НК (а). Параметры Wd = 343. 4 нм, Wa = 116 нм, Wb = 163. 3 нм, We = 168 нм, β = (0. 87)3, εm = 4, εc = 10, f = 0 (черный), f = 0. 4 (пурпурный)

Локализованные волны Частотная дисперсия • Металл-диэлектрический нанокомпозит • O Многоуровневая квантовая система Керровская нелинейность • Оптическая необратимость Оптическая анизотропия • Квазипересечение оптических мод • Бистабильность жидкого кристалла • Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • Хиральные поверхностные состояния

Электромагнитно индуцированная прозрачность и ультрамедленный свет V. G. Arkhipkin, Yu. I. Heller, Phys. Lett. , 1983 Harris, S. E. et al Nature, 1999

ЭИП в коротких импульсах Схема атомных уровней: 1 основное состояние, 2 метастабильное. Свет двух резонансных частот в виде плоских волн одинаковой линейной поляризации нормально падает на газообразную среду трехуровневых атомов. Одномерная нестационарная задача.

ЭИП и замедление скорости импульса а Зависимости нормированной частоты Раби (а) и атомной когерентности (б) от времени в разных точках среды. Tc=10 Tp Пространственное распределение атомной когерентности содержит информацию о взаимодействующих импульсах. Lukin (2000, 2001), Liu (2001), Turukhin (2001), Kocharovskaya (2001) б Arkhipkin, Timofeev // Phys. Rev. A, 2001; ПЖЭТФ, 2002

Изменение формы импульса. Сжатие импульса б a в Временная эволюция нормированных частот Раби импульсов на различных глубинах среды (а – на входе, в – на выходе). Задний фронт Передний Пробный импульс – сплошная линия; управляющий – пунктир. фронт Время измеряется в полуширинах пробного импульса. Передний край пробного импульса замедляется сильнее заднего, происходит сжатие. Согласованное распространение пробного импульса и провала управляющего поля напоминают адиабатонную пару. Arkhipkin, Timofeev, Phys Rev A, 2006

ЭИП в дефекте ФК Локализация поля в ФК Дефектная мода Дефектные моды в ФЗЗ Arkhipkin, Myslivets, Timofeev // Proc. SPIE, 2007 Дефектная мода при ЭИП

Локализованные волны Частотная дисперсия • Металл-диэлектрический нанокомпозит Многоуровневая квантовая система • Керровская нелинейность • O Оптическая необратимость Оптическая анизотропия • Квазипересечение оптических мод • Бистабильность жидкого кристалла • Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • Хиральные поверхностные состояния

Полностью оптический диод пропускает свет, отражает обратный свет отличается от полупроводникового оптического диода, от тонированного стекла, от оптического изолятора на эффекте Фарадея Ветров С. Я. , Тимофеев И. В. , Шабанов А. В. // Оптика и спектроскопия, 2008

частичное ослабление Свет в несимметричной среде • Керровская нелинейность: Под действием поля изменяется показатель преломления • Изменяется оптическая толщина среды и резонансная длина волны • Нужен резкий контраст пропускания • Нужна периодическая слоистая структура

Распределение поля в среде 99, 3% 1, 2% z, мкм

Спектр пропускания вперед – пропускание назад – отражение

Распространение импульса через аподизованную структуру λ = 1. 2 мкм λ = 2. 2 мкм

Какой длительности должен быть импульс, чтобы поле можно было считать стационарным? Длительность импульса ~10 -13 c

TM (transfer matrix) – метод трансфер матрицы Распределение электрического и магнитного поля в слоях n – номер слоя.

ТМ - метод Ех , Ну непрерывны на границах раздела сред

FDTD (the Finite-Difference Time-Domain Method) – метод конечных разностей во временной области

Пространственно-временная сетка

Сдвиг Гуса-Хенхен

Локализованные волны Частотная дисперсия • Металл-диэлектрический нанокомпозит Многоуровневая квантовая система • Керровская нелинейность • Оптическая необратимость Оптическая анизотропия • O Квазипересечение оптических мод • Бистабильность жидкого кристалла • Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • Хиральные поверхностные состояния

Что такое твист-ячейка, директор ЖК, эффект Могена, 39 порог Фредерикса

Эксперимент: ЖК в ФК Гуняков В. А. , Мысливец С. А. , Архипкин В. Г. , Ветров С. Я. , Герасимов В. П. , Шабанов А. В. , Зырянов В. Я. , Шабанов В. Ф. и др. 2006 -2016

Резонатор Фабри-Перо

Расчетный спектр пропускания неполяризованного света в зависимости от напряжения на твист-ячейке. Черный цвет соответствует пропусканию. Кружками обведены места взаимодействия Т-моды номер 68 с L-модами номер 74 (а), 73 (b), 72 (c), 71 (d) , 70 (e) , 69 (f). Пунктирными линиями напряжения условно разделены на четыре интервала, соответствующие различным стадиям смещения мод: ниже порога (I), сдвиг Lмоды (II), сильное взаимодействие мод (III), дублеты (IV). Timofeev et al // Phys Rev E, 2012

Локализованные волны Частотная дисперсия • Металл-диэлектрический нанокомпозит Многоуровневая квантовая система • Керровская нелинейность • Оптическая необратимость Оптическая анизотропия Квазипересечение оптических мод • • O Бистабильность жидкого кристалла • Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • Хиральные поверхностные состояния

Твист-ячейка с наклонными граничными условиями. Гомеотропное и скрученное состояния 44 Wu, Zou, Timofeev // Opt Express, 2011

Течение и вязкость в ЖК

Метод расчета. Упругие силы гуковский наклон аналогия: луч в соленой воде катеноид мыльной пленки гуковское скручивание наклон Ферма

Упругие силы • Электрическая сила • Сила упругости • Наклоняющая результирующая • Закручивающая

Расчет поля в анизотропной структуре. Матричная форма уравнений Максвелла Berreman D. W. // JOSA 1972

Пропускание и отражение E 0 R T

Локализованные волны Частотная дисперсия • Металл-диэлектрический нанокомпозит Многоуровневая квантовая система • Керровская нелинейность • Оптическая необратимость Оптическая анизотропия Квазипересечение оптических мод • Бистабильность жидкого кристалла • • O Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • Хиральные поверхностные состояния

Эффективный показатель преломления ? Синий сдвиг ! n. EFF < n. O < n. E

Образец Микрофотографии оптических текстур образца в геометрии параллельных (верхний ряд) и скрещенных (средний ряд) поляризаторов. Конфигурации директора ЖК (нижний ряд). (а) Гомеопланарная ориентация при U = 0 В; (b) Твист-структура при U = 4 В. Направления поляризатора (Р) и анализатора (А) обозначены двойными стрелками. R 1 и R 2 – направления натирания верхнего и нижнего зеркала, соответственно. а) Sutormin V. S. et al. // Opt. Mater. Express. 2014 б)

Спектральный сдвиг пиков пропускания а) Поляризованный спектр а) и спектральный сдвиг б) пиков пропускания. ( ) – экспериментальные значения, (o) – расчетные значения, найденные прямым численным моделированием, сплошная линия – аналитическая кривая (СС), штриховая линия – без учета зеркал (ССЗ), первое слагаемое формулы Timofeev et. al. // Phys Rev E 2015 б)

Топологическая фотоника

В каждой точке среды напряженность поля осциллирует по эллиптической траектории.

Собственная мода резонатора

l = 579. 1 нм Резонаторная мода

Сферический избыток треугольника есть его площадь http: //www. youtube. com/watch? v=jh. ULX 60 K-Vw

Локализованные волны Частотная дисперсия • Металл-диэлектрический нанокомпозит Многоуровневая квантовая система • Керровская нелинейность • Оптическая необратимость Оптическая анизотропия Квазипересечение оптических мод • Бистабильность жидкого кристалла • Геометрическая фаза и спектральные сдвиги • • O Хиральные поверхностные состояния

Типы «зеркал» • Полное внутреннее отражение • Металлическое отражение • Фотонно-кристаллическое отражение – Зеркально-симметричные фотонные кристаллы • Как правило изотропные материалы • Фотонная запрещенная зона (ФЗЗ) – Хиральные среды • Винтовая спираль • Область селективного отражения (ОСО) Соединение хиральных и нехиральных зеркал Vetrov, Pyatnov, Timofeev // Opt Lett нетривиальную задачу. представляет 2014

Поляризация отражённого света Отражение от диэлектрика или зеркала Правая Левая Отражение от ХЖК Правая

Холестерик-поглотитель x y z подложка зеркало RХЖК = RИЗОТРОП 2 RХЖК << RИЗОТРОП << 1 Timofeev et. al. // Opt Mat Ex 2013

Сохраняющее поляризацию анизотропное зеркало на основе металл-диэлектрического нанокомпозита Рудакова Н. В. и др. подготовлено в Известия РАН 2016

Поляризационная устойчивость Vetrov, Pyatnov, Timofeev // Opt Lett 2014

Положительная обратная связь и геометрическая фаза Тимофеев, Ветров // подготовлено в Письма ЖЭТФ 2016

∼ + Сравнение локализации

Общее резюме 99, 3% 1, 2%

Коллеги Ветров Степан Яковлевич Архипкин Василий Григорьевич Зырянов Виктор Яковлевич Вей Ли, Тайвань, Тайнань

Коллеги Гуняков Владимир Алексеевич Сутормин Виталий Сергеевич Вьюнышев Андрей Михайлович Рудакова Наталья Викторовна

Коллеги Бикбаев Рашид Гельмединович Авдеева Анастасия Юрьевна Панкин Павел Сергеевич Пятнов Максим Владимирович

Творческие планы • Экспериментальная проверка спектральных сдвигов в холестерике и закрученном нематике, обусловленных геометрической фазой • Металл-диэлектрический нанокомпозит: неважно проводит свет, но хорошо отражает • Теория связанных мод, поиск нуля пропускания в одномерных анизотропных структурах • Хиральные поверхностные оптические состояния, гибридные состояния

Методы исследования • Численные (Матлаб) – – – – метод матрицы переноса (трансфер-матрицы) метод матрицы рассеяния метод Берремана (обобщение на анизотропию) метод Пендри (обобщение на двумерие) метод конечных разностей во временной области (FDTD) метод конечных элементов (FEM) разложение по собственным функциям, плоским волнам • Аналитические, качественные – – – теория связанных мод, дисперсионные уравнения метод характеристик группы симметрий, кватернионы сфера Пуанкаре, расслоение Хопфа комплексная плоскость, стереографическая проекция

59 статей, 67 докладов • • • Phys. Rev. A, E Optics Express Optics Materials Express Journal of Optics Letters… • • • ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ Физика твердого тела Доклады Академии наук Квантовая электроника Оптика и спектроскопия…

Гранты РФФИ: • 02 -02 -16325 -а (2002 – 2004) • 03 -02 -06018 -мас (2003), руководитель • 03 -02 -16052 -а (2003 – 2004), • 14 -02 -31248 -мол_а (2014 -2015), руководитель Грант Президента Российской федерации (ФЦНТП): • МК-1292. 2008. 2, руководитель • НШ-6612. 2006. 3 (участник), НШ-3818. 2008. 3 (участник) Президиум РАН, СО РАН, РНП, ФЦП… Мин. Обр: 3. 1276. 2014. K Заявка на Мегагрант 2017 -2019

Премии • 2003 – лауреат премии губернатора Красноярского края молодым талантам. • 2005 – лауреат премии главы города Красноярска молодым талантам. • 2007 – почетный диплом № 94 «Достояние Сибири» в номинации «Наука и образование» за вклад в развитие сибирской науки. Награждали: Межрегиональная ассоциация «Сибирское соглашение» , Сибирское межрегиональное отделение Национального фонда «Общественное признание» . • 2008 – почетная грамота Сибирского отделения Российской академии наук (в г. Новосибирске). • 2016 – благодарственное письмо губернатора Красноярского края.

Лекционные курсы (Сиб. ФУ) • Механика 2004 -2010 • Концепции современного естествознания 2003 -2004 • Дискретная математика 2004 -2005 • Молекулярная физика 2006 -2009 • Optical Physics 2014 -2016

Спасибо за внимание