Ученые выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию

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).

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).

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.