Ученые Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» в Петербурге разработали миниатюрные лазеры с диаметром 5–8 микрометров — как диаметр эритроцита (клетки крови). Крошечные устройства пригодятся в электронике и датчиках для энергетики.
Новые микролазеры работают при комнатной температуре, не требуют охлаждения и могут встраиваться в микросхемы. Чтобы уменьшить лазеры, сохранив их оптические свойства, эффективность и надежность, ученым пришлось преодолеть две трудности. Первая кроется в самом устройстве лазера. В отличие от обычных источников света, он усиливает излучение внутри резонатора — структуры, где свет многократно отражается. Чем компактнее лазер, тем сложнее удержать внутри и множество раз отразить свет. Другая сложность — дефекты в кристаллах, которые используют для изготовления лазера: в миниатюрных масштабах они приобретают большее значение.
Специалисты использовали кристаллическую структуру из соединений индия, галлия, азота и алюминия, выращенную на кремниевой подложке. Для удержания света в крошечном пространстве применили оптический аналог эффекта шепчущей галереи — когда звук «бегает» по кругу вдоль стен замкнутого пространства, почти не теряя энергию. Также ученые использовали ступенчатый буферный слой — тонкие пленки толщиной около 100 нанометров из соединений алюминия, азота и галлия. Они компенсировали механические напряжения между кремнием и другими слоями, снизив утечку излучения и повысив стабильность работы лазера.
Микролазеры перспективны для создания высокочувствительных, миниатюрных и быстродействующих устройств, востребованных в энергетике, промышленной безопасности и экологическом мониторинге. Если использовать в одном устройстве массивы микролазеров, которые излучают в различных спектральных диапазонах (ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный), можно улучшить характеристики портативных спектрометров для анализа нефти и устройств детектирования газов.
Эдуард Моисеев
Старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге
Для работы массива микролазеров, по словам ученого, хватит одной батарейки. Затраты энергии на одиночный микролазер выходят небольшими — как на стандартный светодиод.
Оригинал статьи и другие материалы об энергетике читайте на сайте журнала «Энергия+».