Идентификация нанолазеров

Проверка нанолазеров. Фото предоставлено пресс-службой МФТИ, дизайнер: @tsarcyanid

Сегодня лазеры используются повсеместно – от бытовых приборов до медицины, промышленности и телекоммуникации. Несколько лет назад был создан новый тип лазеров – нанолазеры. По своему устройству они похожи на обычные полупроводниковые лазеры. Отличие в том, что резонатор нанолазеров имеет рекордно маленькие размеры: порядка длины волны света, который излучает нанолазер. Поскольку преимущественно такие структуры генерируют излучение в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, их размеры составляют около 1 микрометра. Ведутся исследования по применению нанолазеров в составе химических и биологических сенсоров микрометровых размеров, наноразмерных датчиков механического напряжения, а также для управления нейронами в телах живых организмов и человека.

Чтобы некоторый источник излучения можно было назвать «лазером», необходимо, чтобы он соответствовал ряду требований, основным из которых является когерентность излучения. С когерентностью сильно связано другое ключевое свойство лазеров – наличие порога генерации. При токах накачки ниже порогового значения излучение активной среды лазера в основном спонтанное, а его свойства ничем не отличаются от излучения светодиодов. Многие нанолазеры ведут себя точно так же, как и обычные, макроскопические лазеры: у них существует пороговый ток. Однако существуют и нанолазеры, у которых невозможно найти порог генерации на выходной характеристике (зависимости мощности от тока накачки). Такие нанолазеры назвали «беспороговыми». Возникает вопрос: при каком токе излучение становится лазерным, то есть когерентным?

Андрей Вишневый и Дмитрий Федянин, сотрудники лаборатории нанооптики и плазмоники Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, разработали метод определения степени когерентности излучения нанолазера по его основным параметрам. Они установили, что даже «беспороговый» нанолазер имеет вполне определенный пороговый ток, выше которого излучение становится когерентным. Более того, этот пороговый ток можно найти у любого нанолазера. Причем, что удивительно, он никак не связан ни с особенностями выходной характеристики, ни с уменьшением ширины спектра излучения нанолазера, характерных для макроскопических лазеров. «С точки зрения широкого круга физиков, полупроводниковый нанолазер – это обыкновенный лазер, только маленького размера. Однако, изучая когерентность таких нанолазеров, мы выяснили, что эти устройства на фундаментальном уровне имеют очень мало общего с обычными, макроскопическими лазерами», – отмечает Андрей Вишневый.

Результат, полученный Андреем Вишневым и Дмитрием Федяниным, позволяет заранее предсказать, когда излучение нанолазера любой конструкции становится когерентным. Это позволит разработать и использовать системы охлаждения, соответствующие рабочему току накачки, и получить практичные наноразмерные источники когерентного излучения.

 По информации пресс-службы МФТИ