Fysikere tager et stort skridt i nanolaser -design

Lasere bruges meget i husholdningsapparater, medicin, industri, telekommunikation og mere. For flere år siden, forskere introducerede nanolasere. Deres design ligner det for de konventionelle halvlederlasere baseret på heterostrukturer i almindelig brug i flere årtier. Forskellen er, at nanolasers hulrum er overordentlig små, på rækkefølgen af ​​lysets bølgelængde, de udsender. Da de for det meste genererer synligt og infrarødt lys, størrelsen er i størrelsesordenen en milliondel af en meter.

Nanolasere har unikke egenskaber, der er bemærkelsesværdigt forskellige fra makroskopiske lasers egenskaber. Imidlertid, det er næsten umuligt at bestemme ved hvilken strøm nanolaserens udstråling bliver sammenhængende; derudover til praktiske anvendelser, det er vigtigt at skelne mellem nanolaserens to regimer:den sande laservirkning med en sammenhængende effekt ved høje strømme, og det LED-lignende regime med usammenhængende output ved lave strømme. Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi udviklede en metode til at bestemme under hvilke omstændigheder nanolasere kvalificerer sig som sande lasere. Undersøgelsen blev offentliggjort i Optik Express .

I den nærmeste fremtid, nanolasere integreres i integrerede optiske kredsløb, hvor de er nødvendige for en ny generation af højhastighedsforbindelser baseret på fotoniske bølgeledere, hvilket ville øge ydeevnen for CPU'er og GPU'er med flere størrelsesordener. På lignende måde, fremkomsten af ​​fiberoptisk internet har forbedrede forbindelseshastigheder, og samtidig øge energieffektiviteten.

Og dette er langtfra den eneste mulige anvendelse af nanolasere. Forskere udvikler allerede kemiske og biologiske sensorer, kun milliontedele af en meter stor, og mekaniske belastningssensorer så små som flere milliarddeler af en meter. Nanolasere forventes også at blive brugt til at kontrollere neuronaktivitet i levende organismer, herunder mennesker.

For at en strålingskilde kan kvalificeres som en laser, den skal opfylde en række krav, den vigtigste er, at den skal udsende kohærent stråling. En karakteristisk egenskab, der er tæt forbundet med sammenhæng, er tilstedeværelsen af ​​en såkaldt lasertærskel. Ved pumpestrømme under denne tærskelværdi, outputstrålingen er for det meste spontan og adskiller sig ikke i egenskaberne fra output fra konventionelle lysemitterende dioder (LED'er). Men når tærskelstrømmen er nået, strålingen bliver sammenhængende. På dette tidspunkt, emissionsspektret for en konventionel makroskopisk laser indsnævres og dens udgangseffekt stiger. Sidstnævnte egenskab giver en let måde at bestemme lasertærsklen - nemlig, ved at undersøge, hvordan udgangseffekten varierer med pumpestrøm (figur 1A).

Mange nanolasere opfører sig som deres konventionelle makroskopiske modparter gør, udviser en tærskelstrøm. Imidlertid, for nogle enheder, en lasertærskel kan ikke fastslås ved at analysere kurven udgangseffekt versus pumpestrøm, da det ikke har nogen særlige funktioner og kun er en lige linje på log-log-skalaen (rød linje i figur 1B). Sådanne nanolasere er kendt som "tærskelløse". Dette præsenterer spørgsmålet:Ved hvilken strøm bliver deres stråling sammenhængende, eller laserlignende?

Den oplagte måde at besvare dette på er ved at måle sammenhængen. Imidlertid, i modsætning til emissionsspektret og udgangseffekten, sammenhæng er meget svær at måle i tilfælde af nanolasere, da dette kræver udstyr, der er i stand til at registrere intensitetsudsving ved billioner af et sekund, som er den tidsplan, hvormed de interne processer i en nanolaser forekommer.

Andrey Vyshnevyy og Dmitry Fedyanin fra Moscow Institute of Physics and Technology har fundet en måde at omgå de teknisk udfordrende direkte koherensmålinger. De udviklede en metode, der bruger de vigtigste laserparametre til at kvantificere sammenhængen mellem nanolaserstråling. Forskerne hævder, at deres teknik gør det muligt at bestemme tærskelstrømmen for enhver nanolaser (figur 1B). De fandt ud af, at selv en "tærskelløs" nanolaser i virkeligheden har en tydelig tærskelstrøm, der adskiller LED og laserregimer. Den udsendte stråling er usammenhængende under denne tærskelstrøm og sammenhængende over den.

Overraskende, tærskelstrømmen for en nanolaser viste sig på ingen måde at være relateret til egenskaberne ved outputkarakteristikken eller indsnævring af emissionsspektret, som er tegn på lasertærsklen i makroskopiske lasere. Figur 1B viser tydeligt, at selvom der ses et godt udtalt knæk i outputkarakteristikken, overgangen til laserregimet sker ved højere strømme. Det er, hvad laserforskere ikke kunne forvente af nanolasere.

"Vores beregninger viser, at i de fleste papirer om nanolasere, laserregimet blev ikke opnået. På trods af undersøgelser, der udfører målinger over knækket i outputkarakteristikken, nanolaseremissionen var usammenhængende, da den faktiske lasertærskel var størrelsesordener over kink -værdien, "Siger Dmitry Fedyanin." Meget ofte, det var simpelthen umuligt at opnå sammenhængende output på grund af selvopvarmning af nanolaser, "Tilføjer Andrey Vyshnevyy.

Derfor, det er yderst vigtigt at skelne den illusive lasertærskel fra den faktiske. Selvom både kohærensmålingerne og beregningerne er vanskelige, Vyshnevyy og Fedyanin kom med en simpel formel, der kan påføres enhver nanolaser. Ved hjælp af denne formel og outputkarakteristikken, nanolaser ingeniører kan nu hurtigt måle tærskelstrømmen for de strukturer, de opretter (se figur 2).

Resultaterne rapporteret af Vyshnevyy og Fedyanin gør det muligt på forhånd at forudsige det punkt, hvor strålingen af ​​en nanolaser - uanset dens design - bliver sammenhængende. Dette vil give ingeniører mulighed for deterministisk at udvikle nanoskala lasere med forudbestemte egenskaber og garanteret sammenhæng.