Vedci vyvinuli nanolaser s unikátnymi vlastnosťami.

Výskumný tím pod dohľadom Yuriho Kivshara, vedúceho výskumu na škole fyziky a inžinierstva ITMO a profesora Austrálskej národnej univerzity, vykonáva výskum v oblasti nanolaserov.

Nedávna publikácia v Nature Communications sa týka tohto výskumu. Pomocou výsledkov štúdie špeciálnych typov vĺn a nanorezonátorov, sa vedcom podarilo vytvoriť funkčný prototyp ultra účinného nanolaseru.

Laser sa skladá z niekoľkých prvkov: takzvaných aktívnych médií, kde sa generuje žiarenie a rezonátora – priestoru, v ktorom sa vyrobené žiarenie dlhodobo uchováva.

Tento článok popisuje vylepšenia rezonátorov, aby sa umožnilo fotónom zostať v rezonátoroch dlhší čas. Keď sa generuje laserové žiarenie, objavia sa fotóny – kvantá svetla a začnú kaskádovým spôsobom vyvolávať výskyt iných fotónov. Čím dlhšie počiatočné kvantá existujú a čím dlhšie zostanú vo vnútri rezonátora, tým viac nových fotónov môžu vytvoriť.

Rezonátor vyvinutý výskumníkmi im umožňuje vytvárať laserové žiarenie pomocou malého počtu fotónov.

„Existuje charakteristika lasera, ktorá sa nazýva laserový prah. Je to hodnota výkonu čerpadla, pri ktorom sa vytvára laserové žiarenie. Čím je nižšia, tým lepšie. Na zapnutie lasera potrebujeme veľmi málo energie. Porovnávali sme naše metriky s predchádzajúcim výskumom a zistili sme, že náš prah je o niekoľko veličín menší, ”komentuje Kirill Koshelev.

Fotonický kryštálový vlnovod

Na generovanie žiarenia v nanolaseroch sa používa špeciálny typ svetelných vĺn. Majú oveľa komplexnejšie priestorovo-časové rozloženie ako jednoduché, rovinné svetelné vlny, ktoré sú produkované zdrojmi svetla a sú jasne viditeľné.

Svetelné vlny je možné implementovať do fotonických štruktúr so špeciálnou periodickou štruktúrou. Na to, aby sa objavili, je potrebná najmä modulácia fotonického prostredia. Napríklad periodická sada otvorov v štruktúre špeciálnej veľkosti a nastavenej periodicity.

„Zoberieme InGaAsP – arzenid fosfid india galia – a do materiálu umiestnime otvory v konkrétnom poradí.“ Vďaka špecifickému umiestneniu týchto otvorov môžeme v tejto dielektrickej štruktúre indukovať špeciálne vlastnosti svetelných vĺn. Svetelná vlna tam môže zostať pomerne dlho, čo nám umožňuje produkovať efektívne laserové žiarenie. Zároveň, aj keď sa štruktúra líši od našich výpočtov alebo sa priemer dier alebo vzdialenosť medzi nimi líši, potrebný stav sa napriek tomu objaví, ale s mierne odlišnou frekvenciou, “vysvetľuje Kirill Koshelev.

Zmena periodicity

Ďalším krokom je nielen využitie vlastností svetelných vĺn, ale aj ich vylepšenie, čo znamená umiestnenie týchto špecifických svetelných vĺn na seba, aby sa dostali do super stavu. Na to musia byť svetelné vlny synchronizované: musia mať rovnakú skupinovú a fázovú rýchlosť, rovnaký uhol dopadu, charakteristiky a správanie.

To sa dá dosiahnuť ďalšou geometrickou úpravou dielektrickej štruktúry – zmenou jej periodicity.

„Meníme periodicitu tejto štruktúry – zhruba povedané, vzor dier. Otvory zostávajú rovnaké, ale vytvárame súbor štruktúr, v ktorých každej vzorke sa priestor medzi dierami postupne zväčšuje o nanometre. Takto synchronizujeme tieto stavy svetla a stávajú sa rovnakými. Preto sa môžu navzájom prekrývať a zlepšovať, čo má za následok super stav, ktorý dokáže udržať svetlo vo vnútri dlhší čas, “hovorí Kirill Koshelev.

Super kompaktné zariadenia

Dnes sa oblasť ultra malých laserov rozvíja veľmi aktívne. Táto technológia nás môže priviesť k novej generácii optických čipov, komponentov pre optické počítačové systémy, senzorov a ďalších zariadení, ktoré používajú svetlo na prenos a spracovanie dát. Preto je úspech tímu výskumníkov z ITMO, ANU a Kórejskej univerzity prelomom v optických technológiách a tiež dôležitým zásadným riešením.

Pokiaľ ide o vedecký aspekt tejto práce, vedci ju považujú za dokončenú. Prototyp je však stále vo vývoji.

„Nie všetky vlastnosti týchto laserov sú v skutočnosti optimalizované.“ Napríklad určitá energia, ktorú používame na spustenie lasera, je stále zbytočná. Vlastnosti laseru je možné zlepšiť, aby sa tomu zabránilo. V zásade je však táto téma úplne preskúmaná, majú sa vyriešiť iba inžinierske úlohy, “hovorí Kirill Koshelev.

Zdroj: nano-magazine.com tu: http://fumacrom.com/298Y3