• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
14.01.2020
ФизТех
16 035

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 / Автор: Никита Тарасов

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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 13:05
Юлия Трепалина

Во время проживания в отелях туристы, как правило, расходуют ощутимо больше воды, чем у себя дома: из-за долгого плескания в душе разница может доходить до 250 литров в день. В новом исследовании ученые с помощью эксперимента показали, как побудить отдыхающих пользоваться водными ресурсами экономнее.

Вчера, 18:00
Андрей

Индийские палеонтологи обнаружили 27 крупных позвонков древней змеи эпохи раннего эоцена, которую отнесли к новому виду. По оценкам исследователей, это самый крупный представитель семейства Madtsoiidae, чей рост мог достигать 15 метров. Ему дали имя в честь индийского божества.

Позавчера, 11:00
НИУ ВШЭ

Северный Кавказ играл ключевую роль в древней колонизации Евразии и формировании ее культурного и генетического наследия, однако до сих пор не до конца изучена генетическая история носителей местных культур. Ученые впервые провели глубокое секвенирование древней ДНК представителей кобанской культуры, сформировавшейся в позднем бронзовом веке на Северном Кавказе, и сравнили ее с генетическими данными современных народов Кавказа. Результаты работы подтвердили роль носителей кобанской культуры как древнего генетического моста между бронзовым и железным веками на Северном Кавказе.

16 апреля
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу: тихоходки способны повышать уровень продуктов генов репарации ДНК до такой степени, что это позволяет сделать их одними из самых распространенных в своем геноме. Среди прочего это помогает им выдерживать экстремальную радиацию.

Позавчера, 11:00
НИУ ВШЭ

Северный Кавказ играл ключевую роль в древней колонизации Евразии и формировании ее культурного и генетического наследия, однако до сих пор не до конца изучена генетическая история носителей местных культур. Ученые впервые провели глубокое секвенирование древней ДНК представителей кобанской культуры, сформировавшейся в позднем бронзовом веке на Северном Кавказе, и сравнили ее с генетическими данными современных народов Кавказа. Результаты работы подтвердили роль носителей кобанской культуры как древнего генетического моста между бронзовым и железным веками на Северном Кавказе.

Вчера, 13:05
Юлия Трепалина

Во время проживания в отелях туристы, как правило, расходуют ощутимо больше воды, чем у себя дома: из-за долгого плескания в душе разница может доходить до 250 литров в день. В новом исследовании ученые с помощью эксперимента показали, как побудить отдыхающих пользоваться водными ресурсами экономнее.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

21 марта
Дарья Г.

По спектральным данным от «Джеймса Уэбба» и результатам компьютерного моделирования атмосферы астрономы показали, что экзопланета LHS 1140 b — мир-океан. Причем по характеристикам это лучший на сегодня потенциально обитаемый мир, подходящий для пристального изучения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

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

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

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: