RU2525674C1

RU2525674C1 - Method of increasing power density of optical radiation inside medium

Info

Publication number: RU2525674C1
Application number: RU2012156565/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Владиславович Крайский; Антон Александрович Крайский
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-08-20
Also published as: RU2012156565A

Abstract

FIELD: physics, optics.

SUBSTANCE: invention relates to optics and a method of increasing power density of optical radiation inside a medium. The method includes forming a medium in the form of a multilayer periodic structure having a band gap in the transmission spectrum, as well as narrow resonance peaks of full transmission and directing radiation into said medium, wherein the wavelength of said radiation matches one of the resonance peaks of full transmission.

EFFECT: high power density of radiation inside a periodic medium.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для исследования взаимодействия мощного узкополосного излучения с веществом, при исследовании процессов возбуждения вторичного излучения (люминесценция, рассеяние света, в том числе и комбинационного рассеяния), а также для преобразования излучения методами нелинейной оптики. Возможно также применение в метрологии.The invention relates to optics and can be used to study the interaction of high-power narrow-band radiation with matter, in the study of secondary radiation excitation processes (luminescence, light scattering, including Raman scattering), as well as for converting radiation by nonlinear optics methods. May also be used in metrology.

Проблема увеличения плотности мощности электромагнитного излучения для различных целей достаточно очевидна. Самый известный из способов решения этой проблемы - фокусировка светового излучения с помощью оптической системы, например положительной линзы. В ряде задач важно то, что это позволяет понизить энергозатраты и энерговыделение требуемого входного излучения при использовании той же плотности мощности [1-2]. Для плоской волны подобные способы не годятся. Вместе с тем, известно, что излучение, возникшее внутри открытого резонатора, в сущности резонатора Фабри-Перо, может иметь на резонансных частотах внутри резонатора плотность мощности существенно большую, чем вне резонатора. Однако при введении этого излучения извне через одно из зеркал резонатора не происходит существенного повышения мощности внутри резонатора. Вместе с тем, известно, что при переходе излучения из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную плотность мощности увеличивается пропорционально отношению показателей преломления, т.е. отношения фазовых скоростей. Величина этого отношения для прозрачных сред при падении из вакуума не превосходит величин порядка 4. Отметим, что плотность мощности пропорциональна квадрату амплитуды поля. Поэтому при оценке степени повышения плотности мощности можно оценивать повышение амплитуды поля, а затем подсчитывать повышение плотности мощности как квадрат повышения амплитуды поля. Поскольку нам важно повышение амплитуды поля, исходную амплитуду поля для простоты можно считать единичной. При отражении от зеркала вследствие интерференции падающего на зеркало и отраженного им излучения образуется слоистая система стоячих волн. В пучностях при 100% отражения амплитуда поля повышается в 2 раза. Плотность мощности, поскольку она пропорциональна квадрату амплитуды поля, повышается в 4 раза. Подобное же происходит и при отражении одномерной периодической структурой - фотонным кристаллом (ФК) как перед ним, так и внутри него в окрестности границы кристалла. Но это увеличение плотности мощности невелико.The problem of increasing the power density of electromagnetic radiation for various purposes is quite obvious. The most famous way to solve this problem is to focus the light radiation using an optical system, such as a positive lens. In a number of tasks, it is important that this reduces the energy consumption and energy release of the required input radiation using the same power density [1-2]. For a plane wave, such methods are not suitable. At the same time, it is known that the radiation that has arisen inside an open resonator, in essence a Fabry-Perot resonator, can have a power density at resonant frequencies inside the resonator that is significantly higher than outside the resonator. However, when this radiation is introduced from outside through one of the resonator mirrors, there is no significant increase in power inside the resonator. At the same time, it is known that when radiation passes from an optically less dense medium to an optically denser medium, the power density increases in proportion to the ratio of refractive indices, i.e. ratios of phase velocities. The magnitude of this ratio for transparent media when falling from a vacuum does not exceed values of the order of 4. Note that the power density is proportional to the square of the field amplitude. Therefore, when assessing the degree of increase in power density, it is possible to evaluate the increase in field amplitude, and then calculate the increase in power density as the square of the increase in field amplitude. Since it is important for us to increase the field amplitude, the initial field amplitude for simplicity can be considered single. When reflected from the mirror due to the interference of radiation incident on the mirror and reflected by it, a layered system of standing waves is formed. At antinodes at 100% reflection, the field amplitude increases by a factor of 2. The power density, since it is proportional to the square of the field amplitude, increases 4 times. The same thing happens when reflected by a one-dimensional periodic structure - a photonic crystal (PC) both in front of it and inside it in the vicinity of the crystal boundary. But this increase in power density is small.

Прототипом является способ увеличения с помощью периодической слоистой структуры (одномерного фотонного кристалла) ([1]) плотности мощности излучения, длина волны которого находится в запрещенной зоне фотонного кристалла. Недостаток такой структуры - невысокое повышение плотности мощности (не более чем в 4 раза).The prototype is a method of increasing the radiation power density, with a wavelength in the band gap of the photonic crystal, using a periodic layered structure (one-dimensional photonic crystal) ([1]). The disadvantage of this structure is a low increase in power density (not more than 4 times).

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является значительное, от нескольких раз и выше, повышение плотности мощности в среде плоской световой волны без какого либо воздействия на плоскостность фронта этой волны.The problem to which the invention is directed, is a significant, from several times or more, increasing the power density in the medium of a plane light wave without any effect on the flatness of the front of this wave.

Задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

Для повышения плотности мощности светового излучения внутри среды используют многослойную периодическую структуру, имеющую в спектре пропускания сформированную запрещенную зону такую, что излучение с длиной волны, лежащей внутри этой запрещенной зоны, не проходит через эту структуру, полностью отражаясь, а вне запрещенной зоны имеются узкие резонансные пики полного пропускания. На эту среду направляют излучение, длина волны которого совпадает с одним из пиков полного пропускания.To increase the power density of light radiation inside the medium, a multilayer periodic structure is used that has a forbidden band formed in the transmission spectrum such that radiation with a wavelength lying inside this forbidden band does not pass through this structure, is completely reflected, and there are narrow resonance bands outside the forbidden band full transmission peaks. Radiation whose wavelength coincides with one of the peaks of the total transmission is directed to this medium.

Для с повышения плотности мощности излучения вне периодической структуры предложено преобразовать эту структура так, что в внутри нее существует слой, в котором отсутствует периодическая пространственная модуляция, оставаясь лишь во внешних зонах, образующих границы среды, при этом толщина однородного слоя и толщины граничных периодических структур согласовываются с длиной волны излучения так, чтобы обеспечить максимум плотности мощности излучения.To increase the radiation power density outside the periodic structure, it is proposed to transform this structure so that inside it there is a layer in which there is no periodic spatial modulation, remaining only in the outer zones forming the boundaries of the medium, while the thickness of the homogeneous layer and the thickness of the boundary periodic structures are consistent with a radiation wavelength so as to ensure maximum radiation power density.

Можно делать для излучения, содержащего набор различных длин волн, составные резонаторы в виде комбинации периодических структур. При этом для излучения на каждой из длин волн должна быть своя система периодических структур, обеспечивающая резонансные условия прохождения; другие длины волн при этом должны проходить через эту периодическую структуру без ослабления.For radiation containing a set of different wavelengths, composite resonators can be made in the form of a combination of periodic structures. Moreover, for radiation at each wavelength, there should be a system of periodic structures providing resonant propagation conditions; other wavelengths should pass through this periodic structure without attenuation.

Рассмотрим принципы работы способа. Плоская монохроматическая волна направляется на одномерный фотонный кристалл (ФК) в виде плоскопараллельного слоя особой среды. Он представляет собой среду, оптические свойства которой имеют периодическую слоистую структуру. Используются среды без поглощения и светорассеяния. Тогда структура полностью описывается рядом параметров: периодом структуры, средним значением показателя преломления и параметрами, описывающими переменную часть показателя преломления, т.е. параметрами профиля изменения показателя преломления на одном периоде в нормированном виде и амплитудой этих изменений. Эти слои мы будем называть интерференционными слоями. При малой амплитуде переменной части и малой толщине слоя в периодической структуре появляется брэгговское отражение для излучения той частоты, длина волны в среде которой равна удвоенному периоду структур слоев. При отстройке частоты от резонансной коэффициент отражения падает и в спектре возникает хорошо известная кривая вида ((sinδ)/δ)², где δ - отстройка частоты излучения от резонансной. Кроме главного максимума эта кривая имеет и более слабые боковые максимумы, разделенные минимумами, равными нулю. Такой слой еще не называется фотонным кристаллом, это, в сущности, толстая голограмма (голограмма Денисюка). Ширина главного максимума и положение экстремумов связаны с толщиной слоя, чем слой толще, тем они ближе к основному максимуму. В спектре пропускания, естественно, будет появляться соответствующие провалы. Такое рассмотрение при слабом отражении нетрудно провести аналитически.Consider the principles of the method. A plane monochromatic wave is directed to a one-dimensional photonic crystal (PC) in the form of a plane-parallel layer of a special medium. It is a medium whose optical properties have a periodic layered structure. Used media without absorption and light scattering. Then the structure is completely described by a number of parameters: the period of the structure, the average value of the refractive index and the parameters describing the variable part of the refractive index, i.e. the profile parameters of the change in the refractive index for one period in a normalized form and the amplitude of these changes. We will call these layers interference layers. With a small amplitude of the variable part and a small layer thickness in the periodic structure, a Bragg reflection appears for radiation of that frequency whose wavelength in the medium is equal to twice the period of the layer structures. When the frequency is detuned from the resonance, the reflection coefficient decreases and a well-known curve of the form ((sinδ) / δ) ² appears in the spectrum, where δ is the detuning of the radiation frequency from the resonance. In addition to the main maximum, this curve also has weaker side maxima separated by zero minima. Such a layer is not yet called a photonic crystal, it is, in essence, a thick hologram (Denisyuk hologram). The width of the main maximum and the position of the extrema are related to the thickness of the layer; the thicker the layer, the closer they are to the main maximum. Naturally, corresponding dips will appear in the transmission spectrum. Such a consideration with weak reflection is not difficult to carry out analytically.

При увеличении коэффициента отражения (более 10%) более адекватно численное рассмотрение. Мы при расчете использовали созданную нами компьютерную модель распространения светового излучения с плоским волновым фронтом для одномерного случая. Для простоты считалось, что интерференционные слои параллельны границам ФК, а волна падает на слой нормально. Характер переменной части показателя преломления мог изменяться. Здесь мы рассматриваем синусоидальный профиль показателя преломления и чередование слоев с двумя различными постоянными показателями преломления (типа многослойных зеркал). Результаты разнятся, в основном, численными изменениями деталей, принципиальных изменений мы не наблюдали. Решение искалось на сетке. Краевая задача решалась стандартным способом. В передней плоскости (входная плоскость) проводилась сшивка полученных внутри слоя решений с падающей и отраженной волнами, в задней плоскости (выходная плоскость) - с учетом отражения на границе.With an increase in the reflection coefficient (more than 10%), numerical consideration is more adequate. In the calculation, we used the computer model we developed for the propagation of light radiation with a plane wave front for the one-dimensional case. For simplicity, it was assumed that the interference layers are parallel to the boundaries of the photonic crystal, and the wave is incident on the layer normally. The nature of the variable part of the refractive index could vary. Here we consider the sinusoidal profile of the refractive index and the alternation of layers with two different constant refractive indices (such as multilayer mirrors). The results differ mainly in numerical changes in details; we did not observe fundamental changes. The solution was searched on the grid. The boundary-value problem was solved in a standard way. In the front plane (input plane), the solutions obtained inside the layer were stitched with incident and reflected waves, and in the rear plane (output plane), the reflection at the boundary was taken into account.

При увеличении амплитуды переменной части показателя преломления вначале в спектре отражения происходит только пропорциональное увеличение всех амплитуд. Затем спектр отражения начинает изменяться: вначале просто увеличивается ширина основного максимума и увеличиваются относительные амплитуды боковых максимумов, затем заметно искажается форма основного максимума. При приближении коэффициента отражения в максимуме к 1 его вершина уплощается, боковые максимумы увеличиваются по высоте и начинают удаляться от резонансной частоты (см. фиг.1а). Здесь в качестве примера показаны спектры отражения слоя толщиной h=2514 нм одномерной периодической структуры ФК с периодом 167.6 нм (15 интерференционных слоев) при синусоидальном профиле показателя преломления и различных значениях амплитуды переменной части показателя преломления v. Среднее значение показателя преломления n₀=1.79. В спектре пропускания такие же изменения происходят с соответствующими провалами (фиг.1б).With an increase in the amplitude of the variable part of the refractive index, initially only a proportional increase in all amplitudes occurs in the reflection spectrum. Then the reflection spectrum begins to change: at first, the width of the main maximum simply increases and the relative amplitudes of the side maxima increase, then the shape of the main maximum is noticeably distorted. When the reflection coefficient approaches the maximum at 1, its peak is flattened, the lateral maxima increase in height and begin to move away from the resonance frequency (see figa). Here, as an example, reflection spectra of a layer with a thickness of h = 2514 nm of a one-dimensional periodic structure of a photonic crystal with a period of 167.6 nm (15 interference layers) are shown with a sinusoidal profile of the refractive index and various values of the amplitude of the variable part of the refractive index v. The average value of the refractive index n ₀ = 1.79. In the transmission spectrum, the same changes occur with the corresponding dips (figb).

При достаточно большой амплитуде переменной части показателя преломления спектр пропускания такой структуры будет иметь так называемую запрещенную зону в окрестности резонансной частоты. Излучение в пределах запрещенной зоны не может проникать глубоко вглубь ФК, но почти полностью отражается им. Поэтому в спектре пропускания в этой области образуется провал. В описываемых условиях ширина зоны зависит от толщины ФК. Вблизи зоны в спектре отражения появляются максимумы и минимумы (до нуля). В спектре пропускания им соответствуют минимумы и максимумы (полное пропускание). При достаточно большой толщине ФК и амплитуде переменной части эти более или менее близкие максимумы и минимумы превращаются в более или менее протяженные и резкие полосы, максимумы которых равны 1, а минимумы равны (близки) к 0. Т.о. вблизи запрещенной зоны появляются более или менее узкие зоны полной прозрачности.With a sufficiently large amplitude of the variable part of the refractive index, the transmission spectrum of such a structure will have a so-called forbidden band in the vicinity of the resonant frequency. Radiation within the forbidden zone cannot penetrate deep into the FC, but is almost completely reflected by it. Therefore, a gap is formed in the transmission spectrum in this region. In the described conditions, the width of the zone depends on the thickness of the PC. Near the zone, maxima and minima (up to zero) appear in the reflection spectrum. In the transmission spectrum, they correspond to minima and maxima (total transmission). With a sufficiently large thickness of the photonic crystal and the amplitude of the variable part, these more or less close maxima and minima turn into more or less extended and sharp bands, the maxima of which are equal to 1, and the minima are equal (close) to 0. Thus Near the forbidden zone, more or less narrow zones of full transparency appear.

Фрагмент такого спектра пропускания, показывающий край запрещенной зоны (справа) и первую, ближайшую к запрещенной зоне, полосу (слева) показан на фиг.2а при том же периоде, что и на фиг.1a и толщине h=5.038.9 нм (30 интерференционных слоев). Здесь приведен расчет для такой же структуры с амплитудой изменения показателя преломления v=0.33. Максимальное значение показателя преломления равно 2.12, минимальное - 1.46, что практически соответствует материалам, используемым в примере расчета многослойных зеркал в [3]. Хорошо видна зона прозрачности с полным пропусканием при длине волны 514.939 нм. На фиг 2б показано распределение амплитуды светового поля по глубине ФК для нескольких длин волн. Свет падает слева. В результате сложного взаимодействия падающего и отраженного света возникает сильно модулированная система узлов и пучностей. Амплитуда падающего поля равна 1. Прямая горизонтальная линия 4 на фиг.2б показывает этот уровень и соответствует амплитуде поля при нулевом значении амплитуды переменной части показателя преломления. Кривая 1 показывает распределение амплитуды поля для длины волны 600 нм, соответствующей центру запрещенной зоны, т.е. точному резонансу. Она очень быстро затухает, т.е. глубина проникновения поля мала. Поэтому при исследовании, например, люминесценции сигнал будет идти из небольшого приграничного слоя. Падение амплитуды пучности в 2 раза соответствует двум-трем интерференционным слоям периодической структуры. Кривая 2 показывает распределение амплитуды поля для длины волны 516.067 нм внутри запрещенной зоны вблизи ее края. Здесь затухание на порядок меньше, чем на резонансной длине волны: падение амплитуды пучностей в два раза происходит более, чем через 20 периодов. Поэтому сигнал при возбуждении люминесценции будет на порядок сильнее. Самое важное то, что излучение длины волны, лежащее вблизи отмеченного резонансного пика с длиной волны 14.939 нм (кривая 3) при продвижении в глубину к середине слоя возрастает по амплитуде более чем на порядок, а по интенсивности - в 118 раз по сравнению со значением на входе. Ширина спектрального интервала, в котором уровень максимальной по координате амплитуды поля превосходит 0.707×I₀, где I₀ - уровень максимальной амплитуды при резонансе (что соответствует ширине на уровне половины высоты по интенсивности), составляет 0.37 нм. Если мы определим «добротность» такого резонанса как отношение длины волны к ширине, то она составит 1380. На выходе амплитуда поля возвращается к своему исходному значению. Для кристалла с такой же структурой, но в 2 раза большей толщины (10077,8 нм - 60 интерференционных слоев) (см.фиг.3 - кривая 2), ширина запрещенной зоны уменьшается, и положение 1-го резонансного пика пропускания составляет 516.067 нм (фиг.3). Он более узкий (0.046 нм), чем для тонкой структуры, и коротковолновый край его фона ближе к 0. При этом возрастание амплитуды поля в ФК составит 21.5 раза, интенсивности - 463 раза, добротность - 11000 (фиг.4, кривая 2). Для сравнения на фиг.3 показан спектр пропускания для тонкого (кривая 1, h=5038.9 нм) ФК, а на фиг.4 - и пространственное распределение поля для тонкой среды (кривая 1) и прямая 3 для поля в однородной среде. В спектре пропускания толстого ФК точно на месте старого резонанса (для тонкого ФК) находится 2-й резонансный пик (кривая 2 на фиг.3), тоже более чем в 2 раза узкий (0.18 нм). Добротность его также более чем в 2 раза больше (2837), чем при тонком слое. Пространственное распределение поля для этой длины волны (514.939 нм) показано на фиг.5 (кривая 2) вместе с пространственной структурой 1-й резонансной моды (кривая 1, длина волны 516.067 нм). Пространственное распределение 2-й моды для толстого ФК имеет явный вид моды 2-го порядка и для любой из его половин совпадает с пространственным распределением 1-й моды тонкого ФК.A fragment of such a transmission spectrum showing the edge of the forbidden band (right) and the first band closest to the forbidden zone (left) is shown in Fig. 2a with the same period as in Fig. 1a and thickness h = 5.038.9 nm (30 interference layers). Here, a calculation is presented for the same structure with an amplitude of variation of the refractive index v = 0.33. The maximum value of the refractive index is 2.12, the minimum is 1.46, which practically corresponds to the materials used in the example of calculating multilayer mirrors in [3]. The transparency zone with full transmission at a wavelength of 514.939 nm is clearly visible. In Fig.2b shows the distribution of the amplitude of the light field along the depth of the FC for several wavelengths. Light falls on the left. As a result of the complex interaction of incident and reflected light, a highly modulated system of nodes and antinodes arises. The amplitude of the incident field is 1. A straight horizontal line 4 in Fig.2b shows this level and corresponds to the field amplitude at zero value of the amplitude of the variable part of the refractive index. Curve 1 shows the distribution of the field amplitude for a wavelength of 600 nm corresponding to the center of the forbidden band, i.e. exact resonance. It decays very quickly, i.e. depth of field penetration is small. Therefore, when studying, for example, luminescence, the signal will come from a small boundary layer. A decrease in the antinode amplitude by a factor of 2 corresponds to two or three interference layers of a periodic structure. Curve 2 shows the distribution of the field amplitude for a wavelength of 516.067 nm inside the band gap near its edge. Here the attenuation is an order of magnitude smaller than at the resonant wavelength: the antinode amplitude drops by half in more than 20 periods. Therefore, the signal upon excitation of luminescence will be an order of magnitude stronger. The most important thing is that wavelength radiation lying near the marked resonant peak with a wavelength of 14.939 nm (curve 3), when moving deeper into the middle of the layer, increases in amplitude by more than an order of magnitude, and in intensity - by 118 times compared to the value by the entrance. The width of the spectral interval in which the level of the maximum amplitude of the field in the coordinate exceeds 0.707 × I ₀ , where I ₀ is the level of maximum amplitude at resonance (which corresponds to the width at the level of half the height in intensity), is 0.37 nm. If we define the "quality factor" of such a resonance as the ratio of wavelength to width, then it will be 1380. At the output, the field amplitude returns to its original value. For a crystal with the same structure, but 2 times thicker (10077.8 nm - 60 interference layers) (see Fig. 3 - curve 2), the band gap decreases and the position of the 1st resonance transmission peak is 516.067 nm (figure 3). It is narrower (0.046 nm) than for the fine structure, and the short-wavelength edge of its background is closer to 0. In this case, the increase in the field amplitude in the photonic crystal will be 21.5 times, the intensity - 463 times, the quality factor - 11000 (Fig. 4, curve 2). For comparison, Fig. 3 shows the transmission spectrum for a thin (curve 1, h = 5038.9 nm) photonic crystal, and Fig. 4 shows the spatial distribution of the field for a thin medium (curve 1) and line 3 for the field in a homogeneous medium. In the transmission spectrum of a thick photonic crystal, the second resonance peak (curve 2 in Fig. 3), also more than 2 times narrow (0.18 nm), is located exactly at the place of the old resonance (for a thin photonic crystal). Its quality factor is also more than 2 times greater (2837) than with a thin layer. The spatial field distribution for this wavelength (514.939 nm) is shown in FIG. 5 (curve 2) together with the spatial structure of the 1st resonance mode (curve 1, wavelength 516.067 nm). The spatial distribution of the 2nd mode for a thick photonic crystal has the explicit form of a second-order mode and for any of its halves coincides with the spatial distribution of the first mode of a thin photonic crystal.

Можно получить и большие значения повышения плотности мощности внутри слоя. Так для условий, близких к голографическим сенсорам на гидрогелях (см., например, [4]), при n₀=1.33, v=0.1, толщина h=320 мкм при гармоническом законе изменения диэлектрической постоянной 1-й резонанс пропускания наблюдается для длины волны 584.903864 нм (резонанс узок, поэтому большое число знаков в числе оправдано). Для этой длины волны максимальное увеличение амплитуды падающего поля в центре составляет 72.2, что для усиления интенсивности составляет 5285. Добротность при этом 2.9×10⁶.It is possible to obtain large values of increasing the power density inside the layer. So for conditions close to holographic sensors on hydrogels (see, for example, [4]), for n ₀ = 1.33, v = 0.1, the thickness h = 320 μm with the harmonic law of variation of the dielectric constant, the 1st transmission resonance is observed for the length waves 584.903864 nm (the resonance is narrow, so a large number of signs in the number is justified). For this wavelength, the maximum increase in the amplitude of the incident field in the center is 72.2, which is 5285 to enhance the intensity. The Q factor is 2.9 × 10 ⁶ .

При разрезании нашего ФК в центре пучности, скажем через среднюю линию при нечетном числе слоев, на 2 одинаковых подслоя и разнесении их на расстояние, кратное целому числу волн, при заполнении промежутка между этими слоями однородным материалом, оптические характеристики которого совпадают с оптическими характеристиками исходного слоя в месте разреза, граничные условия на входе в периодический подслой из однородного материала совершенно не изменяются по сравнению с граничными условиями исходного целого слоя. Т.о. распределения внутри периодических подслоев останутся неизменными. Поскольку разрез мы провели через пучность, где амплитуда поля была максимальна, то во всей однородной центральной области амплитуда поля в пучностях также будет иметь максимальное значение. Т.е. она будет заполнена системой стоячих волн с одинаковой амплитудой. Таким образом, мы увеличили объем однородной среды, просвечиваемый системой стоячих волн с большой плотностью мощности. Формально эта система выглядит как резонатор Фабри-Перо с периодическими многослойными зеркалами. Однако это не так. Если мы используем слой, описанный выше с толщиной 10077.8 нм, то каждый из подслоев в отдельности будет представлять собой слой толщиной 5038.9 нм с резонансом на длине волны 514.939 нм для 1-й резонансной моды. Для длины волны 1-й резонансной моды толстого (или составного кристалла) 516.067 нм коэффициент отражения тонкого слоя составляет около 1%. Лишь в условиях, описанных выше, работая совместно, они обеспечивают резонансные условия работы для длины волны 516.067 нм.When cutting our PC in the center of the antinode, say through the middle line with an odd number of layers, into 2 identical sublayers and spacing them a multiple of an integer number of waves, filling the gap between these layers with a homogeneous material whose optical characteristics coincide with the optical characteristics of the initial layer at the cut site, the boundary conditions at the entrance to the periodic sublayer of homogeneous material are completely unchanged compared with the boundary conditions of the initial whole layer. T.O. distributions within periodic sublayers will remain unchanged. Since we cut through the antinode, where the field amplitude was maximum, in the entire homogeneous central region, the field amplitude in antinodes will also have a maximum value. Those. it will be filled with a system of standing waves with the same amplitude. Thus, we have increased the volume of a homogeneous medium, transmitted through a system of standing waves with a high power density. Formally, this system looks like a Fabry-Perot resonator with periodic multilayer mirrors. However, it is not. If we use the layer described above with a thickness of 10077.8 nm, then each of the sublayers individually will be a layer with a thickness of 5038.9 nm with a resonance at a wavelength of 514.939 nm for the 1st resonance mode. For the wavelength of the 1st resonance mode of a thick (or composite crystal) 516.067 nm, the reflection coefficient of a thin layer is about 1%. Only under the conditions described above, working together, they provide resonant operating conditions for a wavelength of 516.067 nm.

В принципе, можно делать и составные резонаторы, если, используя комбинации периодических структур, обеспечиваются резонансные условия одной системой периодических структур для одной волны, а другой системой периодических структур для другой длины волны так, чтобы каждая волна проходила через «чужую» систему периодических структур без ослабления.In principle, composite resonators can also be made if, using combinations of periodic structures, the resonance conditions are provided by one system of periodic structures for one wave and another by a system of periodic structures for a different wavelength so that each wave passes through an “alien” system of periodic structures without weakening.

Техническим результатом изобретения является повышение от десятка до нескольких тысяч раз плотности мощности внутри периодической среды, в которой в спектре пропускания наряду с запрещенной зоной для распространения излучения существуют узкие резонансные полосы полного пропускания.The technical result of the invention is to increase from ten to several thousand times the power density inside a periodic medium, in which, in the transmission spectrum, along with the forbidden zone for the propagation of radiation, there are narrow resonant total transmission bands.

ЛитератураLiterature

1. Горелик B.C. Оптика глобулярных фотонных кристаллов. Квантовая электроника. Т.37, №5, 2007, с.409-432.1. Gorelik B.C. Optics of globular photonic crystals. Quantum Electronics. T.37, No. 5, 2007, p. 409-432.

2. Горелик B.C. Конверсионное отражение света от поверхности глобулярных кристаллов с люминесцирующими центрами. Наноинженерия, №1, стр.20-28, 2012.2. Gorelik B.C. Conversion reflection of light from the surface of globular crystals with luminescent centers. Nanoengineering, No. 1, pp. 20-28, 2012.

3. Путилин Э.С. Оптические покрытия. Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. - 227 с.3. Putilin E.S. Optical coatings. Tutorial. - St. Petersburg: St. Petersburg State University ITMO, 2010 .-- 227 p.

4. А.В.Крайский, В.А.Постников, Т.Т.Султанов, А.В.Хамидулин. Голографические сенсоры для диагностики компонентов растворов. Квантовая электроника, 40, №2 (2010), с.178-182.4. A.V. Kraisky, V.A. Postnikov, T.T. Sultanov, A.V. Khamidulin. Holographic sensors for the diagnosis of solution components. Quantum Electronics, 40, No. 2 (2010), pp. 178-182.

Claims

1. A method of increasing the power density of light radiation within a medium, which is a multilayer periodic structure having a forbidden band in the transmission spectrum such that radiation with a wavelength lying inside this forbidden band does not pass through this structure, completely reflecting, characterized in that that a structure is used that has narrow resonance peaks of total transmission outside the band gap, and radiation is sent to this medium whose wavelength coincides with one of the peaks in the spectrum oh pass.

2. The method according to p. 1, characterized in that for the possibility of working with radiation with a high power density outside the periodic structure, this structure is transformed so that inside it there is a layer in which there is no periodic spatial modulation, remaining only in the outer zones, forming the boundaries of the medium, while the thickness of the homogeneous layer and the thickness of the boundary periodic structures are consistent with the radiation wavelength so as to ensure maximum radiation power density.

3. The method according to any one of p. 1 or 2, characterized in that for radiation containing a set of different wavelengths, composite resonators are used in the form of a combination of periodic structures so that for radiation at each wavelength there must be a system of periodic structures, providing resonance transmission conditions for radiation with this wavelength; other wavelengths should pass through this periodic structure without attenuation.