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. Несколько лет назад был создан новый тип лазеров — нанолазеры. По своему устройству нанолазеры похожи на обычные полупроводниковые лазеры на гетероструктурах, которые известны довольно давно. Отличие состоит 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-диапазоне, их размеры составляют около 1 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, основным из которых является когерентность излучения. С когерентностью сильно 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, 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 (см. рисунок 2А).

 

Рисунок 1. Зависимость выходной мощности излучения от тока накачки для макроскопического (обычного) лазера (А) и для нанолазеров (Б) при заданной температуре. Предоставлено авторами исследования

Многие нанолазеры ведут себя точно так же, как и обычные, макроскопические лазеры: у них существует 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 2Б). Такие нанолазеры назвали «беспороговыми». Возникает вопрос: при каком токе излучение становится лазерным, то есть когерентным?

Проще всего на этот вопрос было бы ответить, просто измерив когерентность. Но, в отличие от спектра и выходной мощности, когерентность очень тяжело измерить, поскольку измерительная аппаратура должна регистрировать колебания интенсивности на интервалах времени в триллионные доли секунды, что соответствуют 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 2Б), причем, что удивительно, он никак не связан ни с особенностями выходной характеристики, ни с уменьшением ширины спектра излучения нанолазера, характерных 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 3). 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.

 

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»

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

Ссылка на оригинальную статью: A. A. Vyshnevyy and D. Yu. Fedyanin, Lasing threshold of thresholdless and non-thresholdless metal-semiconductor nanolasers // Opt. Express 26, 33473-33483 (2018)

Татьяна Небольсина

Источники

В МФТИ выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Открытая Дубна (open-dubna.ru), 15/01/2019
Ученые узнали, как создать лазер размером с бактерию и назвали это изобретение нанолазером
Hotgeo.ru, 14/01/2019
Ученые узнали, как создать лазер размером с бактерию и назвали это изобретение нанолазером
RELRUS (relrus.ru), 15/01/2019
Ученые узнали, как создать лазер размером с бактерию и назвали это изобретение нанолазером
Xoroshiy.ru, 15/01/2019
Ученые узнали, как создать лазер размером с бактерию и назвали это изобретение нанолазером
SVcomercio.info, 14/01/2019
Ученые узнали, как создать лазер размером с бактерию
Liport.ru, 14/01/2019
Ученые выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Naked Science (naked-science.ru), 14/01/2019
В МФТИ выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Спутник Новости (news.sputnik.ru), 15/01/2019
Физики выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию: Яндекс.Новости
Яндекс.Новости (news.yandex.ru), 15/01/2019
Ученые придумали, как создавать лазеры размером с бактерию
Петербургский дневник (spbdnevnik.ru), 14/01/2019
Физики выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Индикатор (indicator.ru), 14/01/2019
Физики выяснили, как создавать лазеры размером с бактерию
Московский физико-технический институт (mipt.ru), 15/01/2019

Похожие новости

  • 28/05/2019

    Ученые из России сделали угольные ТЭС более экологичными и выгодными

    Российские металлурги усовершенствовали созданную ими методику почти полной переработки золы, позволяющую извлечь из отработанного топлива не только алюминий и другие полезные вещества, но и удалять из золы углерод.
    298
  • 14/12/2018

    Грантополучатели РНФ в программе России-24 «Наука»

    Несколько дней назад вручили Нобелевскую премию за исследования в области лазерной физики. В России тоже успешно работают в этой области. Так, Лаборатория лазерного воздействия Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН Михаила Аграната разработала и совершенствует фемтосекундный лазерный скальпель – оптический пинцет, который работает в бесконтактном режиме и помогает с генетической диагностикой эмбриона, если ему от родителей передались какие-то аномалии.
    1021
  • 06/08/2018

    Ученые раскрыли особенности оптических свойств необычных дисульфидных нанотрубок

    ​Свет и вещество в суспензиях и тонкопленочных самосборках нанотрубок дисульфида вольфрама взаимодействуют между собой по уникальному механизму. Эти нанотрубки — один из самых известных и «старейших» аналогов углеродных нанотрубок.
    340
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    943
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    509
  • 10/09/2018

    Ученые реконструировали 3D-модель еды по двумерному изображению ее структуры

    ​Ученые показали, что на основе двумерного изображения продуктов питания можно создать трехмерную модель их внутреннего строения. Опираясь на нее, можно предсказать физические свойства пищевого продукта и смоделировать процессы, происходящие внутри него.
    491
  • 09/04/2019

    Российские ученые уточнили, как космические лучи действуют на мозг

    ​Нейрофизиологи из МФТИ, НИИ Анохина и Курчатовского института проследили за действием нейтронов на мозг мышей и пришли к выводу, что они не ухудшают интеллектуальные способности грызунов, но подавляют формирование новых клеток в центре памяти.
    227
  • 16/02/2019

    Российские ученые нашли безопасный способ получения кремниевых нанонитей

    ​При производстве кремниевых наноструктур, востребованных в разных областях промышленности, обычно используется достаточно токсичная плавиковая кислота. Сотрудники МГУ имени М. В. Ломоносова нашли способ, как избежать её применения.
    446
  • 06/11/2018

    Российские физики разработали новую микроволновую антенну

    ​Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза.
    546
  • 28/05/2019

    Российские ученые нашли способ сделать металл прочнее

    ​Один из самых перспективных материалов для авиационной и автомобильной промышленности — алюминий. Ученые Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» нашли простой и эффективный способ укрепления композитных материалов на его основе.
    228