Золотой сэндвич

Ученые нашли способ создания лазера с длиной волны несколько нанометров

Ученые нашли способ создания лазера с длиной волны несколько нанометров. Такой лазер позволит увеличить быстродействие компьютеров, ускорить работу в интернете и создать новые мощные медико-диагностические аппараты.

Одним из самых выдающихся изобретений человечества за последние сто лет является лазер. Сейчас это устройство, генерирующее когерентный поток света, широко используется в повседневной жизни, начиная от операций в медицине и заканчивая шоу.

Лазер

(англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «Усиление света с помощью вынужденного излучения») – устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи.

Явление вынужденного излучения, существование и свойства которого на основе чисто термодинамических принципов предсказал Альберт Эйнштейна, заключается в большей вероятности перехода атома с одного уровня энергии на другой в присутствии электромагнитной волны той же частоты, которая соответствует данному переходу. При этом излучаемая при переходе электромагнитная волна будет иметь ту же фазу и поляризацию, что и вынуждающая. Таким образом, если искусственно «заселить» верхние уровни энергии в атомах среды, то волна нужной частоты будет значительно усилена при прохождении этой среды. Для искусственного заселения требуется дополнительный подвод энергии – так называемая накачка.

Некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10⁻¹⁵ с) с помощью синхронизации мод. Принцип работы таких лазеров не отличается от описанного выше, просто вместо уровней энергии отдельных атомов здесь используются энергетические уровни и зоны твёрдого тела.

Лазеры различаются по своим характеристикам, одной из самых важных характеристик является длина волны. Коротковолновые лазеры по сравнению с длинноволновыми обладают тем полезным свойством, что с их помощью можно передать больше информации.

Отличный пример этого представляют собой CD и DVD-диски.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "3123354",
    "incutNum": 2,
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_3228903_i_2"
}

Первыми появились CD-диски объемом порядка 700 мегабайт, для записи информации на которые использовалась технология с применением лазера с длиной волны 780 нм. Спустя несколько лет появилась аналогичная технология для лазеров с меньшей длиной волны (порядка 650 нм), что привело к созданию DVD-дисков, на которые можно записывать в несколько раз больше информации, чем на CD-диск аналогичного размера.

Кроме того, существует проект использования лазеров для связей между элементами компьютера. Использование лазеров с длиной волны всего несколько нанометров серьезно повысило бы производительность компьютера и увеличило бы скорость в интернете.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2744022",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3228903_i_3"
}

Но есть проблема создания столь коротковолновых лазеров, которая кроется в понятии дифракционного предела d. В глобальном значении это минимально возможный размер светового пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение заданной длины волны λ в среде с показателем преломления n: d = λ / 2n. Немного нижнюю границу длины волны удалось опустить с созданием полупроводниковых лазеров, где для генерации используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. Но полноценно сделать лазер длиной волны ниже значения в несколько сотен нанометров долгое время не удавалось, за исключением нескольких работ, в частности, опытов корейских ученых по генерации лазера с длиной волны 47 нанометров.

В ходе совместных исследований ученых из американского Университета штата Аризона и Технического университета Эйндховена (Нидерланды) был обнаружен способ создания лазеров с длиной волны в несколько нанометров.

Результаты работы опубликованы в журнале Optics Express.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "id": "2855511",
    "incutNum": 4,
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3228903_i_4"
}

Главная идея работы заключается в применении комбинации полупроводников и металлов, причем в качестве последних используются золото и серебро. Оказалось, что возбужденные электроны в металлах помогают обойти дифракционный предел в лазере и позволяют генерировать меньшую длину волны. Для этого ученые придумали использовать структуру типа «сэндвича»: 20-нанометровый слой металла, 80-нанометровый слой полупроводника и еще один 20-нанометровый слой металла.

На данный момент главная проблема ученых заключается в том, что такой лазер работает при низких температурах, что, конечно же, вызывает неудобство в повседневном использовании.

Поэтому следующая задача состоит в том, чтобы добиться генерации лазера при комнатных температурах.

«Это первые доказательства того, что ограничения на размер нанолазеров можно обойти», — говорит один из авторов работы Кунь-Чжен Нин из Университета Аризоны.

Использование нанолазеров может вызвать прогресс не только в компьютерных технологиях, но и в медицине, с их помощью могут появиться новые мощные диагностические аппараты. Но для этого еще нужно как следует отработать новую технологию.