Mikrolasery do temperatury pokojowej

Naukowcy stworzyli najmniejszy w historii laser, który może działać w temperaturze pokojowej. Urządzenie ma mniej niż jeden mikron sześcienny – mniej niż długość fali emitowanego światła. Jest to pierwszy laser subfalowy, który nie wymaga chłodzenia kriogenicznego.

Precyzja lasera: Absolwent Olesya Bondarenko sprawdza narzędzie do osadzania napylanego używane do nakładania warstwy aluminium na mikrolasery podfalowe.

Jeszajahu Fainman , szef Ultrafast and Nanoscale Optics Group na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, który kierował pracami, mówi, że powinno być możliwe upakowanie mikrolaserów blisko siebie bez zakłóceń między urządzeniami. To toruje drogę między innymi szybszym urządzeniom do komunikacji optycznej, które wykorzystują lasery o mniejszej długości fali w gęstych układach.

Naukowcy zmodyfikowali tak zwany laser mikrodyskowy. W tym typie lasera mikroskopijny dysk zawierający różne materiały jest pompowany optycznie przez większy laser. To stymuluje jego rdzeń półprzewodnikowy do emitowania światła, które przed uwolnieniem odbija się od krawędzi dysku. Dodanie metalu do tego dysku może uniemożliwić działanie lasera, który zakłócałby działanie innych urządzeń znajdujących się w pobliżu. Ale to zmniejsza wydajność lasera i do tej pory jedynym sposobem przeciwdziałania tej utracie wydajności było kriogeniczne schłodzenie go do około 77 stopni Kelvina (-196 stopni Celsjusza) przy użyciu ciekłego azotu, co jest dalekie od praktycznego.

Fainman wraz ze stażem podoktorskim Maziarem Nezhadem i innymi kolegami z UCSD znaleźli prostszy sposób na poprawę wydajności swojego lasera i wyeliminowanie potrzeby chłodzenia. Dodali warstwę krzemionki, a następnie warstwę aluminium wokół wnęki laserowej wykonanej z fosforku arsenku indowo-galowego. Zewnętrzna warstwa metalu działa jak osłona, izolując laser od innych urządzeń i działając jak bardzo wydajny radiator. Warstwa krzemionki zapobiega zmniejszeniu ogólnej wydajności lasera przez metal.

Wybrano aluminium, ponieważ jego właściwości optyczne sprawiają, że jest ono silnie odbijające. Jednak kluczem do jego działania jest precyzyjne kontrolowanie grubości warstwy krzemionki, która oddziela metal od rdzenia półprzewodnika, mówi Fainman. Jeśli warstwa jest zbyt cienka, metalowa osłona będzie zbyt silnie oddziaływać z polem optycznym, powodując duże straty.

To bardzo ekscytująca praca i wprowadza ważne postępy w nowej dziedzinie nanolaserów, mówi Naomi Halas, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej im. Stanleya C. Moore na Rice University oraz dyrektor uniwersyteckiego laboratorium nanofotoniki. Wykorzystanie warstw metalicznych i sprytnych geometrii projektowych umożliwiło tej grupie rozpoczęcie udoskonalania tych struktur, które rozszerzą sposób wykorzystania tych urządzeń w systemach komunikacyjnych.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Fotonika przyrody , grupa UCSD pokazuje, że jej laser może wytwarzać emisje o długości fali 1,43 mikrona w temperaturze pokojowej. Grupa otrzymała dofinansowanie z National Science Foundation oraz DARPA's Architektury w nanoskali dla spójnych źródeł hiperoptycznych program.

Teoretycznie wydajność lasera można by jeszcze poprawić, stosując inne metale o jeszcze korzystniejszych właściwościach optycznych, takie jak srebro czy złoto, mówi Fainman.

Większym wyzwaniem jest znalezienie sposobu na pełną integrację laserów z urządzeniami optoelektronicznymi poprzez zastąpienie złożonej pompy optycznej pompą elektryczną. Pompowanie elektryczne byłoby bardziej pożądane, ponieważ jest znacznie wydajniejsze, mówi Richard De La Rue , profesor optoelektroniki na Uniwersytecie w Glasgow w Wielkiej Brytanii.

Poza szybką komunikacją, lasery podfalowe mogą znaleźć zastosowanie w obrazowaniu biomedycznym i mikroskopii optycznej bliskiego pola, mówi Fainman. Jak mówi, w tym drugim przypadku występują trudności z mechanicznym skanowaniem laserów na całej powierzchni, więc celem byłoby stworzenie szeregu źródeł światła, które byłyby skanowane elektrycznie, a nie mechanicznie.

Halas mówi, że praca jest również ważna z naukowego punktu widzenia. Wykorzystują reżim, w którym konstrukcja wnęki może zmieniać właściwości ośrodka wzmacniającego, co w rzeczywistości wprowadza zupełnie nowy sposób myślenia o laserach, mówi.

ukryć