Считается, что лазеры, изготовленные из титана и сапфира (Ti:sapphire), обладают "непревзойденными" характеристиками. Они незаменимы во многих областях, включая передовую квантовую оптику, спектроскопию и нейронауку, благодаря широкой полосе усиления и сверхбыстрым световым импульсам. Но такие характеристики обходятся весьма дорого, они большие. Кроме того, они дорогие: каждый стоит сотни тысяч долларов. Для накачки их достаточной энергией для работы требуются другие мощные лазеры, стоимость каждого из которых составляет 30 000 долларов.
В результате, до настоящего времени лазеры на основе титана и сапфира так и не получили того широкого распространения в реальном мире, которого они заслуживают.
Тем не менее, исследователи из Стэнфордского университета сконструировали лазер на кристалле на основе титана, что значительно повысило его эффективность и позволило уменьшить его стоимость. Новый лазер на кристалле Ti:sapphire, разработанный командой под руководством Елены Вучкович, профессора электротехники Стэнфордского университета, устраняет отмеченные выше недостатки. Прототип, как сообщается, в 10 000 раз меньше и в 1000 раз дешевле, чем любой из когда-либо производившихся лазеров на титане и сапфире. С технической точки зрения лазеры Ti:sapphire ценны тем, что они обладают наибольшей "полосой усиления" среди всех лазерных кристаллов. Проще говоря, полоса усиления означает более широкий диапазон цветов, который может воспроизводить лазер по сравнению с другими лазерами. Кроме того, они сверхбыстрые. Световые импульсы испускаются им каждую квадриллионную долю секунды.
Результаты исследования американских ученых опубликованы в журнале Nature.
“Это полный отход от старой модели”, - сказала Вучкович в пресс-релизе Стэнфордского университета. “Вместо одного большого и дорогого лазера в любой лаборатории вскоре могут быть установлены сотни таких ценных лазеров на одном чипе. И вы можете использовать все это с помощью зеленой лазерной указки”.
Джошуа Янг, кандидат наук и соавтор исследования, подчеркнул преобразующий потенциал этого нововведения. “Когда вы выходите за рамки настольных размеров и создаете что-то производимое на чипе при таких низких затратах, эти мощные лазеры становятся доступными для множества различных важных применений”, - сказал Янг.
Как сообщается, при разработке нового лазера исследователи начали с создания объемного слоя титан-сапфира на основе диоксида кремния (SiO2), который был нанесен поверх настоящего сапфирового стекла. Затем они шлифуют, травят и полируют титановый сапфир до получения чрезвычайно тонкого слоя толщиной всего в несколько сотен нанометров. На этом тонком слое они создают закрученный вихрь из крошечных выступов. Эти выступы похожи на волоконно-оптические кабели, которые направляют свет по кругу, увеличивая интенсивность. Добавление микромасштабного нагревателя позволяет регулировать длину волны излучаемого света в диапазоне от 700 до 1000 нанометров.
"Математически говоря, интенсивность - это мощность, деленная на площадь. Таким образом, если вы сохраняете ту же мощность, что и у крупномасштабного лазера, но уменьшаете площадь, на которой он сконцентрирован, интенсивность просто зашкаливает", - говорит Ян. "Небольшой размер нашего лазера на самом деле помогает нам сделать его более эффективным".
Новый лазер Ti:sapphire помещается на чип, размер которого измеряется в квадратных миллиметрах. Если исследователи смогут массово производить их на пластинах, то потенциально тысячи, а возможно, и десятки тысяч титаново-сапфировых лазеров можно будет разместить на диске, который поместится на ладони человека. "Чип очень легкий. Он портативен. Он недорогой и эффективный. В нем нет движущихся частей. И его можно производить серийно", - сказал Ян.
По мнению ученых, титаново-сапфировый лазер на кристалле способен произвести революцию во многих областях. В квантовой физике он может сократить использование квантовых компьютеров. В нейробиологии он может позволить создавать более компактные оптогенетические зонды. В офтальмологии он может способствовать развитию лазерной хирургии и диагностике сетчатки.
В настоящее время исследовательская группа сосредоточена на совершенствовании лазера и изучении методов массового производства. Янг также работает над выводом технологии на рынок. “Мы могли бы разместить тысячи лазеров на одной 4-дюймовой пластине", - сказал Янг. “Именно тогда стоимость одного лазера начнет приближаться к нулю. Это очень интересно”, - подчеркнул он.