Микролазер размером с бактерию создали учёные в Петербурге
AI Изображение создано с помощью ИИ и носит иллюстративный характер
Международная команда исследователей, в которую вошли специалисты НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге, создала микролазеры, излучающие в глубоком ультрафиолете — на длине волны 255 нанометров. Диаметр самого маленького устройства — около двух микрометров, что сопоставимо с размером бактерии. При этом лазеры работают при комнатной температуре. Об этом рассказывает Naked Science.
Глубокий ультрафиолет — это часть УФ-диапазона с длиной волны менее 300 нанометров. Такой свет не видим глазу, но из-за высокой энергии фотонов он хорошо поглощается веществом и запускает фотохимические реакции. Поэтому его применяют для анализа газов, обнаружения биологически активных веществ, обеззараживания и передачи данных на небольшие расстояния.
Обычные источники такого излучения — ртутные лампы или газовые лазеры — токсичны и громоздки. Чем меньше источник света, тем проще встроить его в чип или сенсор. Однако создать миниатюрный лазер сложнее: дефекты материала и потери излучения сильнее сказываются на работе маленького устройства.
Учёные из НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге, Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Цилуского технологического университета и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе разработали коротковолновые миниатюрные лазеры на сапфировых подложках. Работа опубликована в журнале Optics & Laser Technology.
Сапфир широко используется в производстве, он дешевле и доступнее альтернатив. С ним можно работать привычными для микроэлектроники методами: выращивать слои, формировать рисунок и вытравливать элементы. «Это открывает путь к созданию компактных фотонных чипов для спектроскопии, биосенсоров и систем связи в ультрафиолетовом диапазоне», — комментирует старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ Эдуард Моисеев.
Исследователи вырастили на сапфире тонкие полупроводниковые слои, а затем методами микрообработки сформировали из них микродиски диаметром около двух микрометров. В этих крошечных дисках свет удерживается за счёт эффекта шепчущей галереи и усиливается в активной области с тремя квантовыми ямами. Свет многократно отражается от границы диска и «бежит» по его краю, что позволяет обойтись без сложной системы зеркал.
Полученные лазеры работают при комнатной температуре и излучают на длине волны около 255 нанометров. По оценке авторов, это одна из самых коротковолновых реализаций микродисковых лазеров с модами шепчущей галереи на сапфире. Для самого маленького устройства диаметром два микрометра пороговая плотность мощности составила около 280 киловатт на квадратный сантиметр — это соответствует лучшим мировым результатам для таких коротких длин волн.
Сейчас устройства работают за счёт оптической накачки от внешнего лазера, но следующим шагом станет переход к электрической накачке. «В практическом плане это гораздо удобнее, поскольку позволит использовать микролазеры в реальных портативных устройствах, избавив от необходимости применять громоздкие внешние источники света. Для этого предстоит снизить электрическое сопротивление слоев, обеспечить эффективную доставку электрических зарядов в область, где возникает лазерное излучение, и при этом сохранить высокое качество кристалла», — считает Эдуард Моисеев.
Исследование показывает, что лазер глубокого ультрафиолета можно уменьшить до размера бактерии и сохранить его работу при комнатной температуре. В перспективе такие микролазеры могут использоваться в спектроскопических системах, биохимических и газовых сенсорах, устройствах UV-C-связи и фотонных чипах, где нужен компактный источник глубокого ультрафиолета.
