Ю.Н.Кульчин, С.Н.Багаев, В.П.Булгаков, О.А.Букин, С.С.Вознесенский, А.Л.Дроздов,
Ю.А.Зинин, И.Г.Нагорный, В.Б.Кожемяко, Е.В.Пестряков, В.И.Трунов
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирк
Биолого-почвенный институт ДВО РАН, Владивосток
Институт биологии моря ДВО РАН, Владивосток
Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, Владивосток
Е-mail: kulchin@iacp.dvo.ru
Для решения задач передачи и обработки информации и для преобразования оптических импульсов значительную роль выполняют такие объекты нанофотоники, как фотонные кристаллы и микроструктурированные оптические волокна. В частности, в ближайшее время в сфере телекоммуникаций использование микроструктурированных волоконных световодов может выйти на уровень коммерческого применения. Сдерживающими факторами здесь являются технологическая трудность производства таких структур и низкая механическая прочность световодов.
Известным примером природного материала с фотонно-кристаллическими свойствами является благородный опал, в основе роста которого лежит одна из наиболее перспективных технологий формирования фотонных кристаллов – самоорганизация, механизм которой аналогичен процессам, действующим в биологических системах. Другими примерами являются биологические объекты, основу скелета которых составляют формируемые в процессе их роста волоконно-подобные кремний-органические микро- и нано-структуры. Особый интерес вызывают спикулы стеклянных морских губок, обитающих на глубинах от 30 м до 5 км, поскольку разгадка механизма природной биоминерализации открывает широкие перспективы для развития технологии создания новых материалов для опто- и микроэлектроники.
По своей структуре спикулы состоят из большого числа концентрических слоев гидратированного кварца, составленных из плотно упакованных блоков SiO2 размером от 50 до 400 нм. Эти слои разделены слоями белковой природы толщиной h ~ 20 нм. Количество слоев изменяется от нескольких десятков до нескольких сотен, в зависимости от вида губки, диаметра и возраста спикулы. Базальные (якорные) спикулы имеют в своем составе центральное ядро – аксиальную нить диаметром 1-2 мкм. Слоистость структуры проявляется в периодичности в распределении показателя преломления n(r). Например, в губках Hyalonema sieboldy
периодически чередующиеся слои имеют показатели преломления n1 и n2, близкие к показателю преломления воздуха (тонкие слои) и к показателю преломления плавленого кварца (толстые слои гидратированного кремнезема), где толщина слоев h2 практически в 100 раз превосходит толщину слоев с низким показателем преломления. Известно, что в таких квазипериодических структурах возможно распространение брэгговских мод, обусловленных брэгговским рассеянием от слоев оболочки при определенных углах распространения света в сердцевине. С учетом большого числа слоев эффективность такого отражения может оказаться высокой, а потери на вытекание излучения из оболочки будут незначительными.
Для проверки наличия брэгговского рассеяния от слоев оболочки базальных спикул нами изучался процесс прохождения через них импульсов излучения фемтосекундной длительности 40 фс с центральной длиной волны ~ 800 нм, частотой следования 1 кГц и средней мощностью излучения на входном торце базальной спикулы ~400 мВт. Для всех образцов базальных спикул наблюдались осцилляции в спектре прошедшего излучения. Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что наличие в базальных спикулах стеклянных морских губок периодических концентрических слоев нано- и
микрометровых размеров способно привести к управлению распространяющимся по ним излучением с помощью эффективного брэгговского рассеяния, обусловленного наличием запрещенных фотонных энергетических зон.
