Нижегородские ученые разработали оптические микрорезонаторы из синтезированного стекла

19.09.2022

Ученые Института прикладной физики Российской академии наук совместно с коллегами из Института химии высокочистых веществ РАН разработали и создали оптический микрорезонатор из нового высокочистого теллуритного стекла c добротностью более 25 миллионов. Благодаря достигнутому рекордно высокому значению добротности (для микрорезонаторов на основе теллуритных стекол) и огромной оптической нелинейности в данном микрорезонаторе удалось реализовать каскадную генерацию узкополосного излучения до четвертого порядка включительно на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна. На основе таких микрорезонаторов могут создаваться миниатюрные сверхчувствительные датчики, биосенсоры и другие устройства.

Изготовленный авторами микрорезонатор представляет собой шар диаметром 75 микрометров из специально синтезированного стекла на основе диоксида теллура с добавлением диоксидов вольфрама, лантана и висмута. Внутри резонатора свет распространяется вблизи экватора. Совершая гигантское количество оборотов, прежде чем покинуть резонатор, свет на несколько порядков увеличивает свою интенсивность. Благодаря этому при малых мощностях накачки — порядка милливатта или меньше — возможна реализация нелинейно-оптических эффектов, к которым относится вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.

В этом случае излучение накачки создает гиперзвуковую волну, на которой происходит рассеяние света в обратном направлении с понижением частоты на величину, определяемую свойствами материала. Благодаря наличию резонатора из шумов происходит генерация бриллюэновской волны первого порядка. Если ее мощность достаточно большая, то возможен каскадный процесс: бриллюэновская волна первого порядка создает свою гиперзвуковую волну, на которой рассеивается свет и происходит генерация бриллюэновской волны второго порядка, которая в свою очередь является накачкой для волны третьего порядка и т.д.

Предложенная теоретическая модель позволила детально объяснить экспериментальные результаты и выявить существенные факторы происходящих физических процессов. Авторы проводили экспериментальные исследования в телекоммуникационном диапазоне (длина волны излучения ~ 1,5 мкм), но потенциально микрорезонаторы на основе синтезированного стекла могут использоваться в гораздо более широкой области спектра — от 1 до 3-5 мкм, что невозможно при изготовлении микрорезонаторов из стандартных силикатных стекол.

Статья опубликована в журнале Sensors.

Работа поддержана грантом РНФ 20-72-10188.

ИПФ РАН