Глубокий ультрафиолет — часть ультрафиолетового диапазона с очень короткой длиной волны, менее 300 нанометров. Такой свет не виден глазу и не освещает пространство в привычном для человека смысле. При этом из-за высокой энергии фотонов глубокий ультрафиолет хорошо поглощается веществом и может запускать фотохимические реакции. Поэтому его используют для технологических задач: анализа газов, обнаружения биологически активных веществ, обеззараживания или передачи данных на небольшие расстояния.
Привычные источники такого излучения — ртутные лампы или газовые лазеры — содержат токсичные вещества, а кроме того громоздки. Для многих задач это ограничение: чем меньше источник света, тем проще встроить его в чип, сенсор или другое компактное устройство. Однако создать такой лазер и удержать в нем свет сложнее: дефекты материала, потери излучения или неточности формы сильнее сказываются на работе маленького устройства.
Международная команда ученых из НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге, Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Цилуского технологического университета, а также Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе разработала коротковолновые миниатюрные лазеры на сапфировых подложках. Работа опубликована в журнале Optics & Laser Technology.
Микродисковый лазер на сапфировой подложке. Сверху — схематичная визуализация устройства рядом с бактерией для сравнения размера; снизу — изображение изготовленного микролазера, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа / © ChatGPT с авторской доработкой (сверху); СЭМ-фото авторов исследования (снизу).
«Сапфир уже широко используют на производствах, он дешевле и доступнее некоторых альтернатив. При этом с ним можно работать привычными для микроэлектроники методами: выращивать слои, формировать рисунок и вытравливать элементы устройства. Это открывает путь к созданию компактных фотонных чипов для спектроскопии, биосенсоров и систем связи в ультрафиолетовом диапазоне», — комментирует один из авторов исследования, старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ Эдуард Моисеев.
Исследователи вырастили на сапфире тонкие полупроводниковые слои, а затем с помощью методов микрообработки сформировали из них микродиски диаметром около двух микрометров. Именно в этих крошечных дисках свет удерживается за счет эффекта шепчущей галереи и усиливается в активной области, содержащей три квантовые ямы. Подобно тому, как звук распространяется вдоль изогнутой стены в галерее, в микродисковом лазере ведет себя свет: он многократно отражается от границы диска и «бежит» по его краю. Это позволяет удержать излучение внутри очень маленького резонатора без сложной системы зеркал.
Полученные лазеры работают при комнатной температуре и излучают на длине волны около 255 нанометров. По оценке авторов, это одна из самых коротковолновых реализаций микродисковых лазеров с модами шепчущей галереи на сапфире. Для самого маленького устройства диаметром два микрометра пороговая плотность мощности составила около 280 киловатт на квадратный сантиметр, что соответствует лучшим мировым результатам для столь коротких длин волн.
«Сейчас эти устройства работают за счет оптической накачки от внешнего лазера, однако следующим шагом станет переход к электрической накачке. В практическом плане это гораздо удобнее, поскольку позволит использовать микролазеры в реальных портативных устройствах, избавив от необходимости применять громоздкие внешние источники света. Для этого предстоит снизить электрическое сопротивление слоев, обеспечить эффективную доставку электрических зарядов в область, где возникает лазерное излучение, и при этом сохранить высокое качество кристалла», — считает Эдуард Моисеев.
Исследование показывает, что лазер глубокого ультрафиолета можно уменьшить до размера бактерии и при этом сохранить его работу при комнатной температуре. В перспективе такие микролазеры могут использоваться в спектроскопических системах, биохимических и газовых сенсорах, устройствах UV-C-связи и фотонных чипах, где нужен компактный источник глубокого ультрафиолета.