14.01.2020
ФизТех

Ученые выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию

Исследователи из МФТИ определили, при каких условиях излучение нанолазеров становится по-настоящему лазерным.

Ученые выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию / ©Пресс-служба МФТИ

Несколько лет назад была разработана концепция нанолазера — источника излучения с размерами в единицы микрон. У большинства из них нельзя различить режимы работы: при одних излучение является когерентным, а при других не отличается от излучения светодиодов.

Исследователи из МФТИ определили, в каких условиях излучение нанолазеров становится по-настоящему лазерным. Работа опубликована в журнале Optics Express.

Сегодня лазеры используются повсеместно — от бытовых приборов до медицины, промышленности и телекоммуникации. Нанолазеры похожи на обычные полупроводниковые лазеры на гетероструктурах, которые известны довольно давно.

Отличие в том, что резонатор нанолазеров имеет рекордно маленькие размеры —порядка длины волны света, который излучает нанолазер. Поскольку преимущественно такие структуры генерируют излучение в видимом и ближнем ИК-диапазонах, их размеры составляют около одного микрометра.

Уже в ближайшем будущем эти устройства станут частью интегральных оптических схем, которые позволят на порядки ускорить производительность процессоров и видеокарт путем замены части металлических межсоединений на оптические.

Кроме того, это должно привести к уменьшению энергопотребления компьютеров — аналогично тому, как замена проводных линий передачи данных на оптоволоконные позволила ускорить интернет и повысить энергоэффективность.

Такое применение нанолазеров далеко не единственное. Ведутся исследования по применению нанолазеров в составе химических и биологических сенсоров микрометровых размеров, наноразмерных датчиков механического напряжения, а также для управления нейронами в телах живых организмов и человека.

Чтобы некоторый источник излучения можно было назвать «лазером», необходимо, чтобы он соответствовал ряду требований, основное из которых — когерентность излучения. С когерентностью тесно связано другое ключевое свойство лазеров — наличие порога генерации.

При токах накачки ниже порогового значения излучение активной среды лазера в основном спонтанное, а его свойства ничем не отличаются от излучения светодиодов. По достижении порогового тока свойства излучения меняются и оно становится когерентным.

У обычных лазеров при этом спектр излучения становится узким и резко возрастает выходная мощность. Последнее свойство дает простой способ поиска порога генерации лазера, используя зависимость выходной мощности излучения лазера от тока накачки (рисунок 1А).

Ученые выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Рисунок 1. Зависимость выходной мощности излучения от тока накачки для макроскопического (обычного) лазера (А) и для нанолазеров (Б) при заданной температуре / Предоставлено авторами исследования, пресс-служба МФТИ

Многие нанолазеры ведут себя так же, как и обычные, макроскопические лазеры: у них есть пороговый ток.

Однако существуют и нанолазеры, у которых невозможно найти порог генерации на выходной характеристике (зависимости мощности от тока накачки), поскольку она не имеет особенностей (красная линия на рисунке 1Б).

Такие нанолазеры назвали «беспороговыми». Возникает вопрос: при каком токе излучение становится лазерным, то есть когерентным? Проще всего на него было бы ответить, просто измерив когерентность.

Но в отличие от спектра и выходной мощности, когерентность трудно измерить, поскольку измерительная аппаратура должна регистрировать колебания интенсивности на интервалах времени в триллионные доли секунды, что соответствует динамике внутренних процессов в нанолазере.

Андрей Вишневый и Дмитрий Федянин, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, разработали метод определения степени когерентности излучения нанолазера по его основным параметрам.

Это позволяет избежать технически сложных измерений когерентности. Они установили, что даже «беспороговый» нанолазер имеет вполне определенный пороговый ток, выше которого излучение становится когерентным.

Более того, этот пороговый ток можно найти у любого нанолазера (рисунок 1Б), причем, что удивительно, он никак не связан ни с особенностями выходной характеристики, ни с уменьшением ширины спектра излучения нанолазера, что характерно для макроскопических лазеров.

«С точки зрения широкого круга физиков, полупроводниковый нанолазер — это обыкновенный лазер, только маленького размера. Однако, изучая когерентность таких нанолазеровов, мы выяснили, что эти устройства на фундаментальном уровне имеют очень мало общего с обычными, макроскопическими лазерами», — отмечает Андрей Вишневый.

Расчет когерентности — довольно трудоемкая задача, однако исследователи смогли получить простое приближенное выражение для порогового тока нанолазеров.

С его помощью каждый исследователь, занимающийся нанолазерами, сможет быстро оценить пороговый ток в изготовленной им структуре.

Расчеты, проведенные авторами публикации, показали, что во многих работах, посвященных нанолазерам, порог когерентности достигнут не был — во многом из-за того, что реальный пороговый ток был намного выше, чем предполагалось (рисунок 2).

Ученые выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Рисунок 2. Зависимость порогового тока в нанолазере от температуры. Зеленая кривая — найденная по выходной характеристике, красная — рассчитанная по когерентности излучения, синяя — даваемая приближенной формулой. Когда пороговый ток по выходной характеристике превосходит найденный по приближенной формуле, лазер становится «макроскопическим» / Пресс-служба МФТИ

А вот в нанолазерах, предназначенных для передачи данных, порог когерентности может быть не достигнут по другой причине. При повышении тока накачки лазер нагревается, и, когда нагрев становится слишком сильным, дальнейшее повышение тока накачки становится невозможным.

Таким образом, при проектировании нанолазеров для практических приложений необходимо учитывать их нагрев.

Результат, полученный Андреем Вишневым и Дмитрием Федяниным, позволяет заранее предсказать, когда излучение нанолазера любой конструкции становится когерентным.

Это позволит разработать и использовать системы охлаждения, соответствующие рабочему току накачки, и получить практичные наноразмерные источники когерентного излучения.

Исследование поддержано грантом РНФ, грантом президента Российской Федерации и Министерством образования и науки.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 18:54
Мария Азарова

Ученые получили снимок планеты 2M0437b, которая сформировалась не более пяти миллионов лет назад и до сих пор остается чрезвычайно горячей.

22 октября
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

22 октября
Ольга Иванова

Отечественная палеонтология похожа на старушку-пенсионерку. Она собирает старье, ей вечно не хватает денег, но судьба ее мало кого волнует. Особенно государство и большой бизнес. Naked Science рассказывает, как семья из Крыма пытается спасти уникальный палеонтологический музей, в Благовещенске кости динозавров мокнут под дождем, а в Сибири мамонтов давят бульдозерами.

19 октября
Илья Ведмеденко

В КНР испытали монолитный твердотопливный ракетный двигатель, имеющий самую большую тягу в мире. Разработка изделия важна для создания ракет тяжелого класса.

22 октября
Александр Березин

Повелители тундростепей Евразийского континента, оказывается, вовсе не вымерли с концом ледникового периода. Вопреки тому, что считалось ранее, они выжили — как минимум на Таймыре и как минимум до 1900 года до нашей эры. А это на много веков позже постройки пирамиды Хеопса. Получается, человек не привел мамонта к вымиранию? Или, напротив, нашел затерянные на Таймыре остатки вида и уничтожил их совсем недавно? Это сложный вопрос, от которого зависит ответ на другой: могут ли слоны заселить Север России и в наши дни?

22 октября
Алиса Гаджиева

Археологи обнаружили доказательства того, что доисторическое строение возрастом в 11 тысяч лет использовали для церемониальных действий, а потом преднамеренно засыпали землей.

13 октября
Мария Азарова

Анализ образцов крови, взятых у российских космонавтов до и после их полета на МКС, показал, что длительное пребывание в космосе может провоцировать повреждение мозга.

12 октября
Алиса Гаджиева

Две тысячи лет назад многие сооружения строили лучше, чем сегодня.

27 сентября
Мария Азарова

Новое исследование генетиков из Германии и Италии, похоже, помогло найти ответ на вопрос, который занимал ученых свыше двух тысяч лет: откуда взялись этруски?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: