Фотонные кристаллы.

Одним из интересных направлений создания устройств оптических ограничителей являются фотонные кристаллы (ФК). Аналогично обычным кристаллам фотонные кристаллы содержат высокосимметричную структуру элементарных ячеек, причем, если структура обычного кристалла определена положениями атомов в решетке, структура фотонного кристалла состоит из периодической пространственной модуляции диэлектрической постоянной среды, масштаб которой сопоставим с длиной волны взаимодействующего излучения [88]. Периодичность модуляции диэлектрической постоянной можно создавать в одних, двух или трех пространственных координатах, формируя одно-, двух и трехмерные фотонные кристаллы. Примерами одномерного фотонного кристалла являются интерференционные диэлектрические покрытия или объемные голограммы (решетки) Денисюка. Вследствие своего внутреннего строения фотонные кристаллы могут управлять распространением света, что приводит к некоторым важным потенциальным применениям, включая низкопороговые лазеры, волноводы, оптические мультиплексоры, демультиплексоры и т.д. [89]. Примером двумерного ФК может служить стеклянная матрица с упорядоченным множеством полых каналов. Для того, чтобы использовать такой ФК в качестве ограничителя, его каналы заполняют нелинейным материалом, чей показатель преломления совпадает с показателем преломления стекла; на выходе наблюдается высокое пропускание системы. Когда на нелинейную среду падает интенсивное излучение, n₂ нелинейного материала меняется, появляется «фотонная запрещенная зона» и пропускание через среду резко падает. В работе [90] отверстия заполнялись раствором нигрозина (красителя, поглощающего во все видимой области спектра и эффективно переводящего поглощенную энергию в тепло в смеси этанола с толуолом (растворителем, обладающим большой термической нелинейностью)). Фотонная запрещенная зона (ФЗЗ) находилась в области 510-600 нм. Облучение проводилось одиночными импульсами длительностью от 100 мкс до 4 мс, полученными при помощи акустооптического модулятора от непрерывного аргонового лазера (l = 514. 5 нм). Порог ограничения ФК составил 0.2 Дж/см². Такой ограничитель, работающий на эффекте термической нелинейной рефракции, наиболее эффективен в миллисекундном режиме. Заполнение каналов растворами фталоцианиновых красителей, обладающих как нелинейным поглощением, так и нелинейной рефракцией, позволило получить ограничение наносекундных импульсов (t_и=5 нс, l = 532 нм). Полоса поглощения красителя находилась в области 580-570 нм, а ФЗЗ структуры – в области 510 – 560 нм. На рис. 23 видно, что уровень ограничения составляет приблизительно 250 мДж [91].

Для оптического ограничения используют также фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) с полой сердцевиной, которые содержат в оболочке периодически расположенные полые трубки. В ФКВ реализуется механизм удержания света, основанный на брегговском отражении от двумерной структуры, причем показатель преломления сердцевины может быть любым. В работе [92] получено ограничение измерения фемтосекундного (t_и=100 фс) титан-сапфирового лазера с l = 800 нм, путем заполнения сердцевины ФКВ средой с керовской нелинейностью (газ). Следует отметить, что в процессе ограничения, излучение, попадающее внутрь среды, сильно ослаблено и, соответственно, повышается порог разрушения лимитера. Фотонные кристаллы рассматриваются также как быстродействующие управляемые переключатели [93].