Содержание |
2024: Разработан маленький нанолазер для сверхкомпактных чипов
Ученым из ИТМО удалось уменьшить размер наночастицы с 310 нанометров до 200 (это в 5 тысяч раз меньше миллиметра!). Установка работает при комнатной температуре, а увидеть излучаемый лазером зеленый свет можно в стандартном оптическом микроскопе. Разработка поможет в создании мельчайших деталей для цифровых микроустройств и приборов для анализа показателей здоровья, а также позволит повысить качество цветопередачи экранов в очках виртуальной реальности. Об этом университет сообщил 29 мая 2024 года.
Нанолазеры — это лазеры, размер которых меньше длины волны света (или фотона — частицы света), излучаемого ими. Как правило, их величина во всех трех пространственных измерениях (длина, высота и ширина) исчисляется в сотнях нанометров. С помощью таких устройств создаются мельчайшие детали для микроэлектродных приборов. К ним относятся не только, например, сложная вычислительная техника для лабораторий, но и медицинские приборы и даже отдельные составляющие игровых приставок. С каждым годом микроэлектроника становится все сложнее и требует создания все более компактных компонентов, однако лишь единичные установки из-за своих ограничений по размерам позволяют производить их.
Ученые ИТМО предложили технологии для создания нанолазеров, которые бы соответствовали этим требованиям. Разработка представляет собой наночастицу перовскита (созданный в лаборатории материал с химическим составом CsPbBr3) в форме кубоида. Этот материал изучается в университете с 2017 года. За это время ученым удалось доказать, что он стабилен, имеет высокий коэффициент оптического усиления (позволяет использовать энергию света максимально эффективно), а главное — он лучше всего работает в зеленом спектре.
Долгое время этот диапазон длин волн был наиболее проблемным для создания компактных лазеров, особенно в масштабах производства. Этой части видимого спектра даже дали название green gap («зеленая яма/ пробел»). Однако ученым с помощью перовскита наконец удалось разрешить этот вопрос. Это открыло возможности для еще большей компактизации нанолазера, так как длина волны зеленых фотонов в три раза меньше инфракрасных, используемых в классических микролазерах.
Большую часть экспериментов провели аспиранты ИТМО Михаил Машарин и Дарья Хмелевская, руководил проектом Сергей Макаров, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО.
 | Ключевая идея предложенного дизайна нанолазера — использование данного механизма его работы за счет выстраивания сильной связи "свет-вещество". Это помогает значительно снизить порог его "включения". Излучение нанолазера имеет направленный характер, что позволяет эффективно собирать его в нашей оптической схеме и регистрировать на лабораторном спектрометре (прибор для фиксации, обработки и анализа волн света), — сказал Сергей Макаров, руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО. |  |
На данном этапе исследований ученым удалось разместить частицу перовскита на металле. Это открывает возможности для создания установки нанолазера, работа которого будет активироваться электричеством, а не светом, как это происходит сейчас. На основе таких сверхкомпактных лазерных диодов с электрической «накачкой» можно будет создавать микропиксели в очках дополненной реальности, медицинских приборах мониторинга состояния человека, а также в многофункциональных оптических чипах.
2020: Создание полупроводникового нанолазера, работающего в видимом диапазоне при комнатной температуре
Международная группа ученых, в которую вошли исследователи из Университета ИТМО, объявила о создании компактного полупроводникового нанолазера, работающего в видимом диапазоне при комнатной температуре. Как отмечают авторы исследования, лазер представляет из себя наночастицу перовскита размером в 310 нанометров (это более чем в 3000 раз меньше одного миллиметра), способную излучать когерентный зеленый свет при комнатной температуре. Ученым покорилась считавшаяся ранее проблемной для нанолазеров зеленая часть видимого спектра. Об этом 5 июня 2020 года сообщили в ИТМО.
| | «В современной области светоизлучающих полупроводников существует такое понятие, как «Green gap» («зеленый провал»). Когда в зеленой области спектра происходит падение квантовой эффективности у стандартных полупроводниковых материалов для светодиодов, и сделать полноценный нанолазер, работающий при комнатной температуре, на их основе крайне затруднительно», отметил Сергей Макаров, соавтор работы, главный научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО | |
Команда петербургских исследователей выбрала в качестве материала для своего нанолазера перовскит. Традиционный лазер состоит из двух основных элементов – активной среды, которая позволяет генерировать лазерное излучение и оптического резонатора, позволяющего удерживать электромагнитную энергию внутри долгое время. Перовскит может объединить в себе эти свойства – наночастица кубической формы способна выполнять и роль активной среды, и роль резонатора.Метавселенная ВДНХ 
В результате ученым удалось получить наночастицу размером 310 нанометров, которая при возбуждении ее фемтосекундным лазером способна поддерживать лазерную генерацию при комнатной температуре.
| | «Для накачки нанолазера мы использовали фемтосекундные лазерные импульсы и облучаем ими в микроскопе одиночную наночастицу, пока при определенной интенсивности мы не преодолеваем порог лазерной генерации. Тогда наночастица и начинает работать именно как полноценный лазер. Мы показали, что такой лазер работает как минимум на протяжении миллионов актов накачки внешними импульсами», отметила Екатерина Тигунцева, соавтор работы младший научный сотрудник Университета ИТМО | |
Особенность полученного нанолазера заключается не только в его размерах. Дело еще и в том, насколько он хорошо удерживает в себе энергию вынужденного излучения, чтобы обеспечить достаточное усиление электромагнитных полей для появления лазерной генерации.
| | «Вся идея в том, что лазерная генерация – это пороговый процесс, то есть вы светите внешним лазером на частицу, и при какой-то определенной, «пороговой», интенсивности внешнего источника сама частица начинает генерировать лазерное излучение. Если свет очень плохо удерживается внутри, то вы, сколько бы ни светили, никогда не получите лазерной генерации. В предыдущих работах с другими материалами и системами, но похожими идеями, показывали, что можно использовать резонансы Ми четвертого и пятого порядков - это значит, что длина волны в материале укладывалась внутри резонатора четыре или пять раз, на частоте лазерной генерации. Мы же показали, что наша частица излучает на резонансе Ми третьего порядка. Иными словами, мы можем добиться когерентного вынужденного излучения, если длина волны в перовските укладывается внутри частицы всего три раза», отметил Кирилл Кошелев, соавтор работы младший научный сотрудник Университета ИТМО | |
Наночастица работает как лазер не при каком-то особом давлении или крайне низкой температуре. Все описанные эффекты удалось наблюдать при стандартном атмосферном давлении и комнатной температуре. Это может привлечь специалистов, которые занимаются созданием оптических чипов, сенсоров и других приборов, использующих свет для передачи и обработки информации. В том числе это может быть использовано для создания чипов для оптического компьютера.
Особенностью лазеров, работающих в видимом диапазоне, является то, что они, при прочих равных, меньше, нежели красные и инфракрасные излучатели аналогичных характеристик. Размер излучателя кубически зависим от длины волны излучения, а поскольку длина волны зеленого света в три раза меньше, чем инфракрасного, то и предельный уровень миниатюризации также простирается для зеленых нанолазеров дальше. Это важно для создания компактных компонент для будущих оптических вычислительных систем.
Смотрите также
