Возможности управления спектральными свойствами фотонного кристалла, которые позволяют использовать его в качестве эффективного универсального оптического фильтра, продемонстрировали красноярские ученые, 14 ноября сообщает пресс-служба Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН.

Фотонными кристаллами называются искусственные материалы, свойства которых могут быть использованы для управления светом — они могут пропускать или отражать волны строго определенной длины. Поэтому их используют в лазерах, микроскопах и системах связи.

При этом в настоящее время подавляющее большинство применяемых фотонных кристаллов настроено на один фиксированный диапазон света, и он не может быть изменен, если это потребуется для решения новых задач.

Фотонный кристалл, который создала команда красноярских ученых, может обратимо менять свои свойства за счет своей особой структуры: когда его поры заполнены жидкостями, он из широкополосного фильтра превращается в узкополосный, а испарение жидкости возвращает ему исходное состояние. Причем такой цикл можно неоднократно повторять.

Разработка, в которой приняли участие специалисты КНЦ СО РАН из Института физики им. Л. В. Киренского, Института вычислительного моделирования и Сибирского Федерального университета, стала новым шагом в создании перестраиваемых оптических устройств и высокочувствительных сенсоров.

Результаты исследования возможностей такого кристалла ученые представили в статье «Спектральные свойства фотонного кристалла с переменным периодом из анодного оксида алюминия», опубликованной в журнале «Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики», 2025, том 121, выпуск 3.

Исследователи изготовили из пористого оксида алюминия одномерный фотонный кристалл с переменным периодом, который за счет своей уникальной структуры способен легко менять области отражения.

Созданный образец состоит из множества чередующихся слоев с разной пористостью, каждый из которых преломляет свет по-своему. При этом период структуры вдоль пор также линейно меняется.

Ступенчатое увеличение периода позволило добиться расширения области отражения кристалла (фотонная запрещенная зона) с обычных 50 нм до рекордных 170 нм, что делает его широкополосным оптическим фильтром, блокирующим большой диапазон световых волн.

Поры оксида алюминия легко заполняются жидкостью, например водой, спиртом или ацетоном. От того, какая из них заполнила поры, зависят оптические свойства кристалла — так как каждая из жидкостей по-разному изменяет показатель преломления материала.

В результате заполнения пор данного кристалла жидкостью его запрещенная зона не только смещается, но при этом расщепляется на несколько узких полос, что превращает его уже в узкополосный фильтр, избирательно блокирующий сразу несколько узких диапазонов длин волн.

Кроме того, оптические свойства этого кристалла можно тонко настраивать, меняя угол падения света, так как при этом происходит дополнительный сдвиг запрещенной зоны. Такая широкая возможность перестройки оптических свойств может быть использована для создания оптических сенсоров и адаптивных фильтров.

Один из авторов исследования, старший научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН, кандидат физико-математических наук Максим Пятнов пояснил:

«Комбинация этих двух методов — заполнения пор и изменения угла падения света — позволяет использовать один и тот же образец и как широкополосный, и как узкополосный фильтр. Это открывает дорогу к практическому применению разработки. Такой кристалл также можно использовать в качестве высокочувствительного сенсора: по величине спектрального сдвига можно с высокой точностью определять, какая именно жидкость попала в поры».

При этом после испарения жидкости из пор кристалл возвращается к исходным оптическим параметрам без потери качества. Эксперименты показали, что после пяти циклов наполнения и высушивания он полностью сохраняет свою эффективность. Такое свойство открывает таким фотонным кристаллам перспективу использования их в качестве многоразовых фильтров.