Миниатюрный источник света. Исследователи впервые сконструировали лазер размером всего 300 нанометров, способный излучать зеленый свет при комнатной температуре. Нанолазер состоит из полупроводникового материала перовскита, который как активная лазерная среда генерирует фотоны и в то же время умножает их как резонатор. Новый нанолазер можно использовать на фотонных чипах, в датчиках или других оптико-электронных устройствах.
Лазеры уже давно являются неотъемлемой частью повседневной жизни, технологий и исследований. Их когерентный свет служит средством измерения, универсальным инструментом, средством связи или датчиком и используется в бесчисленных вариантах от ультракоротких импульсов до несущих волн для данных. Однако, в частности, в компьютерных технологиях исследователи все еще ищут оптимальные нанолазеры, которые они могут интегрировать непосредственно в фотонные чипы. Первые прототипы из решеток арсенида индия и кремниевых наноструктур уже доступны.
Наночастицы как лазеры
Исследователи под руководством Екатерины Тигунцевой из Государственного университета информационных технологий (ИТМО) в Санкт-Петербурге также разработали такой нанолазер. Их миниатюрный источник света представляет собой самый компактный полупроводниковый лазер, излучающий видимый свет при комнатной температуре. Лазер состоит из наночастиц размером всего 310 нанометров, которые состоят из полупроводникового материала со структурой перовскита.
Чтобы стать лазером, эти наночастицы должны быть возбуждены - «накачаны» - один раз фемтосекундным лазерным импульсом. Затем возбужденный материал генерирует внутри каскады фотонов. «Производство лазерного излучения - пороговый процесс, - объясняет коллега Тигунцевой Кирилл Кошелев.«Вы возбуждаете наночастицу лазерным импульсом, и при определенной пороговой интенсивности внешнего импульса частица начинает сама излучать лазерный свет».
Фотонный источник и резонатор одновременно
Перовскитный материал нанолазера действует одновременно как источник фотонов для лазера и как резонатор, который сначала аккумулирует фотоны, прежде чем они будут выпущены наружу. Это стало возможным благодаря особым резонансным эффектам внутри полупроводникового кристалла: «Наша наночастица поддерживает резонанс Ми третьего порядка, чего раньше не было», - объясняет Тигунцева.
Это означает, что свет в кристалле отражается в пространстве, равном ровно трем длинам волн излучаемого света. Исследователи получили эту структуру, используя специальный процесс синтеза, чтобы сформировать из материала перовскита маленькие кубики нужного размера. В ходе испытаний эта конструкция показала себя как эффективный лазерный генератор: «Мы продемонстрировали, что такой нанолазер может работать не менее миллиона циклов возбуждения», - говорит Тигунцева.
The Green Light Challenge
Одна особенность: этот нанолазер генерирует зеленый свет. «В области светоизлучающих полупроводников существует проблема так называемой зеленой щели, - объясняет старший автор Сергей Макаров из Университета ИТМО. «Это означает, что квантовая эффективность полупроводников, обычно используемых для светоизлучающих диодов, резко падает в зеленой части светового спектра».
В отличие от более длинноволнового инфракрасного и красного света, лазеры с зеленым светом, таким образом, сложнее в изготовлении. Как объясняют исследователи, объем миниатюрного лазера тесно связан с длиной волны света. Поскольку длина волны зеленого света примерно в три раза меньше длины волны инфракрасного света, это также требует большей миниатюризации. Преимущество, однако, заключается в том, что человеческий глаз более чувствителен к зеленому свету, чем к другим длинам волн, поэтому, например, зеленая лазерная указка выглядит ярче, чем красная, даже при одинаковой интенсивности света.
Работает при комнатной температуре
Однако для применения нового полупроводникового нанолазера также важно, чтобы он работал в нормальных условиях при комнатной температуре - его не нужно охлаждать, повышать давление или иным образом обрабатывать. По словам исследователей, их технология могла бы особенно хорошо подходить для оптических компьютерных микросхем, датчиков и других фотонных приложений.