Молодежная лаборатория фотоники молекулярных систем создана в декабре 2018 года в рамках реализации национального проекта "Наука" на основе исследовательских групп лабораторий Когерентной оптики и Молекулярной спектроскопии. В задачи лаборатории входит:

• разработка новых фотонных структур, придающих заданные пространственные, спектральные и поляризационные характеристики излучению оптического и телекоммуникационного диапазонов,
• использование новых молекулярных систем с экстремальными оптическими характеристиками: анизотропией, нелинейностью и резонансными свойствами.

Основные направления исследований

Направление в рамках Программы фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021-2030 годы): 1.3.2. Физика конденсированных сред и физическое материаловедение; 1.3.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика

Наименование тематики 2019-2021 гг.: Исследование новых оптических материалов и разработка фотонных структур на их основе.

Наименование тематики 2022-2024 гг.: Исследование локализованных мод в фотонных структурах на основе новых оптических материалов

Основные приборы и оборудование

Лаборатория оснащена современным оптическим оборудованием. В частности:

• Оптический параметрический генератор LS-2145-ОРО+SHG.

• Спектрометр ASP-150T-VSF-OT, позволяющий проводить измерения в области длин волн 190-1100 нм.

Основные методы и технологии исследования

• Метод оптической спектроскопии управляемых фотонных структур

• Метод напыления многослойных фотонных структур

Основные достижения

Экспериментальная реализация перестраиваемых гибридных таммовских-микрорезонаторных мод

Оптическое таммовское состояние – это световая волна, локализованная благодаря брэгговскому отражению на общем интерфейсе двух фотонных структур, таких как фотонный кристалл и его металлическое покрытие. При наличии материала с отрицательной диэлектрической проницаемостью, такое состояние называют таммовским плазмон-поляритоном. Для управления спектральным положением таммовского плазмон-поляритона без изменения интерфейса было предложено использовать резонансно связанный с ним управляемый микрорезонатор. В этом случае реализуются гибридные таммовские плазмон-поляритоны, локализуемые частично на интерфейсе, а частично – в связанном микрорезонаторе. Поэтому изменения в микрорезонаторе приводят к изменению резонансной длины волны на интерфейсе. Экспериментально управление осуществлялось при помощи жидкокристаллического слоя, расположенного в микрорезонаторе и меняющего оптический отклик под действием внешнего электрического поля, либо при нагреве.

Результаты исследования могут быть применены для разработки новых оптических сенсоров, перестраиваемых спектральных фильтров, тепловых эмиттеров и поглотителей.

(Слева) Схема измерения спектров отражения микрорезонатора, поддерживающего возбуждение гибридных таммовских-микрорезонаторных мод. В термостате (красный квадрат) располагается фотонная структура. Слой нематического жидкого кристалла (оранжевый цвет) позволяет эффективно управлять гибридными модами через его нагревание или приложение к нему внешнего напряжения. Часть гибридной моды локализуется в жидком кристалле, остальное поле локализуется вблизи золотого покрытия (желтый цвет). Во вставке слева показан внешний вид микрорезонатора. (Справа) Рассчитанный (левая панель) и измеренный (правая панель) спектр отражения микрорезонатора в зависимости от температурной отстройки до точки фазового перехода нематик - изотропная жидкость. Пунктирными линиями показаны: аналитическое решение для микрорезонаторных мод (черный), экспериментальное положение таммовского плазмон-поляритона (красный) и решение уравнения для связанных мод (пурпурный). Квазипересечение резонансов вблизи длины волны 608 нм свидетельствует о возбуждении гибридных мод.

Проведены расчеты одномерных конечных фотонных кристаллов, аналогичных слоистым молекулярным системам, образующимся внутри хлоропластов. Получены графики плотности фотонных состояний и локализации электромагнитной волны в фотонном кристалле. Показано влияние параметров молекулярных систем на первичные процессы фотосинтеза.

Рассмотрено рассеяние света анизотропным дефектным слоем, встроенным в анизотропный фотонный кристалл, в спектральной окрестности оптического связанного состояния в континууме. С использованием метода разложения по резонансным состояниям найдено аналитическое решение для амплитуд отражения и пропускания структуры. Найденное решение описывает коллапс резонанса Фано в спектральной окрестности связанного состояния в континууме.

Список публикаций (2019-2021)

1 Yang J.-H., Huang Z.-T., Maksimov D.N., Pankin P.S., Timofeev I.V., Hong K.-B., Li H., Chen J.-W., Hsu C.-Y., Liu Y.-Y., Lu T.-C., Lin T.-R., Yang C.-S., and Chen K.-P. Low-Threshold Bound State in the Continuum Lasers in Hybrid Lattice Resonance Metasurfaces // Laser & Photonics Reviews. – 2021. – V. 15, Is. 10. – P. 2100118. (Q1 WoS).

2 Bikbaev R. G., Maksimov D. N., P. S. Pankin, K.-P. Chen, and I. V. Timofeev, Critical coupling vortex with grating-induced high Q-factor optical Tamm states, Optics Express. – 2021. – V. 29. – P. 4672. (Q1 WoS).

3 Pankin P.S., Sutormin V.S., Gunyakov V.A., Zelenov F.V., Tambasov I.A., Masyugin A.N., Volochaev M.N., Baron F.A., Chen K.-P., Zyryanov V.Ya., Vetrov S.Ya. and Timofeev I.V. Experimental implementation of tunable hybrid Tamm-microcavity modes // Applied Physics Letters. – 2021. – V. 119. – P. 161107. (Q2 WoS).

4 Avdeeva A. Y., Vetrov S. Y., Timofeev I. V., Splitting of a Tamm plasmon polariton at the interface between a metal and a resonant nanocomposite layer conjugated with a photonic crystal // Journal of the Optical Society of America B – 2021. – V. 38. – P. 1792. (Q3 WoS).

5 Pankin P.S., Maksimov D.N., Chen K.-P., Timofeev I.V. Fano feature induced by a bound state in the continuum via resonant state expansion // Scientific Reports. – 2020. – V. 10, Is. 1. – P. 13691. (Q2 WoS).

6 Bikbaev R.G., Vetrov S.Y., Timofeev I.V. Hybrid Tamm and surface plasmon polaritons in resonant photonic structure // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – 2020. – V. 253. – P. 107156. (Q3 WoS).

7 Vetrov S.Y., Avdeeva A.Y., Pyatnov M.V., Timofeev I.V. Hybrid tamm-cavity modes in photonic crystal with resonant nanocomposite defect layer // Computer Optics. – 2020. – V. 44, Is. 3. – P. 319-324.

8 Avdeeva A.Y., Vetrov S.Y., Bikbaev R.G., Pyatnov M.V., Rudakova N.V., Timofeev I.V. Chiral optical tamm states at the interface between a dye-doped cholesteric liquid crystal and an anisotropic mirror // Materials. – 2020. – V. 13, Is. 15. – P. 3255. (Q1 WoS).

9 Bikbaev R.G., Vetrov S.Y., Timofeev I.V. Transparent conductive oxides for the epsilon near-zero Tamm plasmon polaritons // Journal of the Optical Society of America B – 2019. – Vol. 36, № 10. – P. 2817. (Q3 WoS).

10 Pankin P.S., Vetrov S.Y., Timofeev I.V. Tamm plasmon in a structure with the nanocomposite containing spheroidal core–shell particles // Journal of Optics – 2019. – Vol. 21, № 3. – P. 035103. (Q3 WoS).

Сотрудники

Заведующий лабораторией Тимофеев Иван Владимирович доктор физико-математических наук 7 (3912) 905637 +7 391 2495253 tiv@iph.krasn.ru

Материалы о достижениях лаборатории в СМИ

• Красноярские физики описали связанное состояние в континууме (07.07.2022)
• Физики экспериментально изменили цвет таммовских плазмон-поляритонов (05.07.2022)
• Фотоника. Как повторить зеленую энергетику природы? (25.03.2022)
• Красноярские ученые рассказали о фотонике (12.03.2021)
• В Красноярском научном центре появились семь новых лабораторий (19.02.2019)

Фотогалерея лаборатории