Ученые заглянули внутрь 3D-микрополостей с помощью рентгеновского зрения

3D-рентгеновская микротомография раскрывает внутреннюю геометрию деформированной микросферы, позволяя понять хаотическую динамику света. Автор: Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.apn.4.6.066006

В мире оптики крошечные структуры, называемые микрополостями — часто не шире человеческого волоса — играют ключевую роль в технологиях, начиная от лазеров и заканчивая сенсорами.

Эти микроскопические резонаторы улавливают свет, позволяя ему циркулировать миллионы раз в пределах их границ. Когда они идеально сформированы, свет внутри них движется по плавным круговым траекториям. Но когда их симметрия слегка нарушена, свет начинает вести себя непредсказуемо, следуя хаотичным маршрутам, которые могут приводить к удивительным эффектам, таким как одностороннее лазерное излучение или более сильное свет-вещественное взаимодействие.

До сих пор большинство исследований этого хаотического поведения были сосредоточены на плоских, двумерных микрополостях. Их легче изучать, потому что их форму можно увидеть и измерить под микроскопом. Но по-настоящему трехмерные (3D) микрополости — где деформация происходит во всех направлениях — оставались в значительной степени неисследованными. Их внутреннюю геометрию трудно зафиксировать без разрезания или повреждения образца, что затрудняет понимание того, как свет ведет себя внутри них.

Исследование, опубликованное в журнале Advanced Photonics Nexus, меняет эту ситуацию. Международная команда исследователей разработала способ визуализации и анализа 3D-хаотических микрополостей без их повреждения. Они использовали рентгеновскую микрокомпьютерную томографию (µCT) — метод, часто применяемый в медицинских и материаловедческих лабораториях, — для сканирования слегка деформированной кремнеземной микросферы. Это позволило им восстановить ее полную 3D-форму с субмикронной точностью.

Изготовление деформированных микросфер. (a) Схема экспериментальной установки. Изображения под оптическим микроскопом (b) осесимметричной микросферы и (c) деформированной (асимметричной) микросферы. Автор: Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.apn.4.6.066006

С помощью этой детальной модели команда смогла рассчитать, как свет перемещается через деформированную полость. Они обнаружили, что когда форма искажена в нескольких направлениях, свет не просто хаотично отражается — он распространяется по всей полости в процессе, известном как диффузия Арнольда. Это подтверждает давнюю теоретическую предсказание о 3D-хаотической динамике света.

По словам профессора Шилы Ник Хормаик, ответственного автора отчета и директора подразделения «Взаимодействие света и вещества для квантовых технологий» в Аспирантском университете Института науки и технологий Окинавы: «Эта работа открывает новое окно для изучения 3D-волнового хаоса, нелинейной оптики и квантовой фотоники. Помимо фундаментальных исследований, этот подход может вдохновить на создание новых конструкций высокочувствительных сенсоров, широкополосных микролазеров и сложных оптических сетей, которые используют хаотическую динамику для повышения производительности».

Возможность измерять и предсказывать поведение света в этих сложных структурах открывает новые перспективы как для фундаментальной науки, так и для практических применений.

Больше информации: Ke Tian et al, X-ray microcomputed tomography of 3D chaotic microcavities, Advanced Photonics Nexus (2025). DOI: 10.1117/1.apn.4.6.066006

Источник: SPIE