Нанолазер из шепчущей галереи

14.03.2019
Нанолазер из шепчущей галереи
Ученые из ИТМО, ДВФУ и Самарского университета выжгли на перовскитной пленке микрометровые кольца с помощью фемтосекундного лазера
Alexey Zhizhchenko et al. / ACS Nano, 2019

Российские физики придумали простой и дешевый способ производства нанолазеров, работающих в оптическом диапазоне. Для этого ученые из ИТМО, ДВФУ и Самарского университета выжгли на перовскитной пленке микрометровые кольца с помощью фемтосекундного лазера, сообщает издание N+1. Каждое такое кольцо работает как оптический резонатор, усиливающий волны из узкого диапазона частот; добротность полученного нанолазера превышает Q = 5000, а рабочие частоты охватывают более половины оптического диапазона. Вдобавок к остальным преимуществам этот метод производства нанолазеров оказался очень быстрым: всего за 15 минут ученые заполнили кольцами квадратный сантиметр площади. Статья опубликована в ACS Nano.

Свет и другие типы электромагнитных волн переносят информацию эффективно и быстро, благодаря чему большая часть современных систем связи основана на оптоволокне и различных лазерных излучателях. Ученые давно пытаются заменить транзисторы и металлические дорожки внутри чипов их световыми аналогами, однако пока это не удается сделать по одной простой причине: движением света очень сложно управлять.

Подобную задачу могут решить наночастицы, способные вырабатывать лазерное излучение или поглощать один тип частиц света и излучать другие виды световых волн. За последние годы физики создали сотни подобных излучателей, очень эффективно конвертирующих один тип фотонов в другой.

Первый в истории нанолазер — нанометровый генератор когерентного излучения — физики построили менее десяти лет назад, однако он сразу же привлек внимание ученых. В первую очередь такие лазеры нужны для создания ультракомпактных оптических чипов, которые можно использовать для быстрой обработки информации. Кроме того, благодаря малому размеру и возможности настраивать параметры каждого когерентного излучателя, нанолазеры находят применение в ближнепольной спектроскопии, оптическом зондировании биологических систем и генерации электромагнитного излучения сложной формы.

К сожалению, нанолазеры имеют серьезный недостаток: производить их сложно и дорого. Во-первых, основным способом получения полупроводниковых нанолазеров сейчас является эпитаксия, то есть послойное наращивание кристалла. В ходе такого роста важно следить, чтобы каждый новый слой атомов был правильно ориентирован относительно подложки. Во-вторых, во время изготовления нанолазера нужно следить за температурой системы — из-за перегрева, плавления или лазерной абляции (эрозии) квантовая эффективность лазера может сильно упасть, и использовать его на практике не получится. Поэтому нанолазеры остаются довольно дорогими приборами, а наладить их промышленное производство до сих пор не удалось.

Группа ученых под руководством Сергея Макарова из Университета ИТМО придумала простой и эффективный способ производства нанолазеров, с помощью которого всего за 15 минут можно изготовить несколько миллионов излучателей и заполнить ими квадрат размером 1 × 1 сантиметр. В отличие от других нанолазеров, основанных на стеклах или полимерах, лазеры группы Макарова сделаны из галоидных перовскитов: соединений метиламмония, свинца и галогена (хлора, брома или йода). Такие соединения обладают высоким коэффициентом преломления (больше двух), то есть из них можно построить хороший оптический резонатор маленького размера. Кроме того, перовскитные нанофотонные устройства практически не чувствуют дефекты. Это позволяет упростить и удешевить производство.

Чтобы изготовить нанолазер, физики напылили на подложку из кремнезема перовскитную пленку толщиной 760 нанометров, а затем облучили ее вспышками фемтосекундного лазера с кольцевым профилем. Пучок такой необычной формы ученые получили с помощью фазовых масок, сделанных из нескольких обычных дифракционных пластинок и спиральных фазовых пластинок. После десяти вспышек, направленных в одно и то же место, на поверхности перовскита возникало круглое кольцо, тогда как материал внутри и снаружи кольца оставался нетронутым. Изменяя параметры пучка, исследователи получали кольца с диаметром от двух до девяти микрометров. После этого ученые сдвигали лазер и выжигали следующее кольцо. В среднем длительность лазерного импульса составляла 150 фемтосекунд, а частота — сто тысяч вспышек в секунду. Это позволяло выжигать порядка десяти тысяч колец в секунду. Кроме того, благодаря высокой точности лазера ученые размещали соседние кольца на расстоянии всего 0,5 микрометра.

Физики показали, что изготовленные таким образом кольца работают как нанолазеры. Для этого они просветили их относительно слабой лазерной вспышкой (примерно в сто раз слабее, чем вспышка, которая использовалась для выжигания колец). Оказалось, что каждое кольцо действует как резонатор, то есть усиливает излучение с частотой, совпадающей с частотой моды шепчущей галереи.

Эффект «шепчущей галереи» известен человечеству еще со времен Средневековья. Этот феномен возникает в эллиптических или круглых помещениях — звук в окрестностях стен таких построек распространяется особым образом, благодаря чему даже тихий шепот можно легко услышать у стенки в противоположном конце здания. Относительно недавно ученые выяснили, что его можно использовать и для манипуляций со светом, в том числе для создания лазеров.

Поскольку частота моды шепчущей галереи зависит только от химического состава подложки и геометрических характеристик кольца, все резонаторы действовали одинаково. Более того, полученные нанолазеры обладали рядом важных свойств. Во-первых, они работали при комнатной температуре. Во-вторых, они усиливают моды только с одной конкретной частотой. Из-за этого добротность нанолазеров, то есть отношение длины генерируемой волны к ширине сигнала, превышала Q = 5000. В-третьих, длина волны генерируемого излучения зависела от химического состава перовскита и лежала в диапазоне от 550 до 800 нанометров, то есть охватывала чуть больше половины оптического диапазона.

«Очень важно, что у нас получилось создать нанолазеры, которые светят одной длиной волны. У них шероховатая поверхность, и она гасит все моды, кроме какой-то одной, для которой условия самые подходящие. При этом цвет излучения мы можем контролировать от красного до зеленого, просто варьируя состав пленки», — пояснил Сергей Макаров.

Авторы статьи надеются, что предложенный ими метод существенно удешевит производство нанолазеров, которые работают в оптическом диапазоне. В частности, ученые считают, что он пригодится при производстве сенсоров и чипов для оптических компьютеров.