Ученые из Санкт-Петербургского университета «Высшая школа экономики» разработали микролазеры размером 5–8 микрометров. Эти лазёры функционируют при комнатной температуре, не нуждаются в охлаждении и могут быть интегрированы в микросхемы. В этом проекте также приняли участие специалисты из Научно-технологического центра микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН, Института физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН. Исследование Опубликовано в журнале «Техническая физика».
Микролазеры благодаря своей компактности имеют широкие возможности применения в различных устройствах. Это могут быть фотонные чипы для передачи информации, высокочувствительные сенсоры для обнаружения газов и устройства типа «лаборатория на чипе», где на маленьком чипе размещается функционал полноценной лаборатории, например, для анализа крови с помощью микропроб. Рассказывает старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге. Эдуард Ильмирович Моисеев.
Разработка микролазеров размером 5—8 микрон, равным диаметру эритроцита, представляет собой сложную задачу, требующую точных расчетов и высокой степени точности производства. В отличие от обычных источников света, лазеры усиливают излучение внутри резонатора — структуры, где свет многократно отражается и усиливается. Чем компактнее лазер, тем труднее удерживать свет внутри него для многократного отражения, усиления и сохранения энергии, что является необходимым условием для его работы.
Спектр фотолюминесценции микролазера
Источник фото: пресс-служба НИУ ВШЭ
Удержание излучения в объёме микролазера представляет собой сложную задачу. Мы разработали ряд решений, одним из которых является эффект шепчущей галереи. С давних пор люди замечали, что слова, произнесённые тихо у одной стены храма или собора, хорошо слышны у противоположной стены. Это происходит потому, что акустические колебания распространяются с минимальными потерями по определённым траекториям — вдоль вогнутых стен здания. В оптике этот эффект позволяет свету многократно отражаться внутри микролазера, минимизируя тем самым потери. — объясняет Э.И. Моисеев.
Для зарождения света в микролазерах применяют кристаллы высокого качества. Микроскопические дефекты могут снизить эффективность генерации света. Ученые использовали слоистую кристаллическую структуру из соединений индия, галлия, азота и алюминия, выращенную на кремниевой подложке.
При упоминании «кристалла» подразумевается материал с упорядоченным расположением атомов и минимальным количеством дефектов. Для создания структуры из многочисленных слоев разных соединений использовали метод газофазной эпитаксии, обеспечивающий размещение каждого атома в определенном месте кристаллической решетки. — поясняет Э.И. Моисеев.
Учёные дополнили ступенчатым буферным слоем микролазер для уменьшения механического напряжения между кремнием и другими слоями. Данный слой снижает утечки излучения в подложку, которые всё равно могут возникнуть и повлиять на работу прибора. Важно отметить, что этот микролазер функционирует при комнатной температуре и не требует систем охлаждения.
Ученые ведут исследования для создания микролазера с выдающимися параметрами.
Мы привыкли работать с материалами типа алюминия, галлия, мышьяка, индия. Речь идёт о излучении в инфракрасном диапазоне от 1000 до 1300 нанометров. Сейчас хотим освоить коротковолновую область спектра, когда длина волны микролазера будет 360 нанометров, а затем и 260 нанометров. Над этим активно работаем. — рассказал Э.И. Моисеев.
Материал создан при сотрудничестве с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
Фото превью: vershininphoto / ru.123rf.com.