Polscy fizycy uruchomili błękitny laser półprzewodnikowy działający w temperaturze pokojowej

Konstrukcja wykorzystuje nanosiatkę z azotku galu, która tworzy pułapkę dla światła. Nanosiatka zatrzymuje falę wystarczająco długo, aby urządzenie mogło ją wzmocnić. Niewielka część światła opuszcza strukturę jako wąska, spolaryzowana wiązka.

Zdjęcie poglądowe

Laser potrzebuje pułapki dla światła

Działanie lasera wymaga spełnienia dwóch przeciwstawnych warunków. Światło powinno pozostawać wewnątrz urządzenia przez odpowiednio długi czas. Podczas kolejnych przejść przez materiał aktywny pobudza powstawanie następnych fotonów. W ten sposób urządzenie zwiększa energię światła. Ostatecznie część światła musi opuścić rezonator i utworzyć wiązkę. Konstrukcja potrzebuje więc szczelnej pułapki z kontrolowaną drogą wyjścia. W dużych laserach taką funkcję pełnią zwykle dwa zwierciadła. Miniaturyzacja utrudnia jednak zatrzymanie światła wewnątrz rezonatora. W małych konstrukcjach światło łatwiej ucieka na boki lub przenika do podłoża.

Stan BIC zatrzymuje światło w nanostrukturze

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i innych ośrodków wykorzystali stan związany w kontinuum, nazywany BIC. Fala w takim stanie ma energię wystarczającą do opuszczenia struktury. Specjalna siatka dyfrakcyjna nie pozwala jej jednak uciec. Układ można porównać do pomieszczenia z otwartymi drzwiami. Przy wyjściu fale spotykają się i wzajemnie wygaszają. Droga pozostaje otwarta, lecz światło nie może z niej skutecznie skorzystać.

Kontrolowana niedoskonałość umożliwia emisję

Idealny stan BIC całkowicie zatrzymywałby światło. Taka konstrukcja nie mogłaby jednak emitować użytecznej wiązki laserowej. Rzeczywista siatka ma ograniczone rozmiary i nie tworzy idealnego układu. Naukowcy wykorzystują więc stan określany jako quasi-BIC. Światło pozostaje w strukturze przez długi czas. Mała część energii może jednak wydostać się na zewnątrz. Ta właściwość umożliwia powstanie wiązki laserowej. Konstrukcja wykorzystuje więc kontrolowaną niedoskonałość jako element działania urządzenia.

Azotek galu tworzy podstawę lasera

Badacze wykonali nanometrowe rowki w warstwie azotku galu. Pod nią umieścili dwie cienkie studnie kwantowe z azotku indowo-galowego. Studnie kwantowe pełnią funkcję materiału aktywnego. Krótkie impulsy nadfioletu pobudzają je do wytwarzania fotonów niebieskiego światła. Laser działał w temperaturze pokojowej. Emitował błękitne światło o długości fali około 445 nanometrów.

Nanosiatka pozwala zmieniać długość fali

Siatka wpływa również na polaryzację emitowanej wiązki. Emisja dla jednego ustawienia pola elektrycznego była 52 razy silniejsza od prostopadłego ustawienia. Naukowcy zmieniali także okres siatki oraz szerokość nanometrowych rowków. W ten sposób przestrajali laser od 440 do 460 nanometrów. Na długość emitowanej fali wpływa więc nie tylko skład półprzewodnika. Istotne znaczenie ma również geometria nanostruktury.

Polskie zespoły pracowały nad konstrukcją

W badaniach uczestniczyli naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Instytutu Wysokich Ciśnień PAN. W projekcie brał udział także Instytut Fizyki PAN. Zespoły reprezentowały również Politechnikę Warszawską i Politechnikę Łódzką. Naukowcy opisali wyniki w czasopiśmie „Nano Letters”. Publikacja otrzymała numer DOI: 10.1021/acs.nanolett.6c01930.

Jedna struktura łączy kilka funkcji

Naukowcy połączyli w jednej strukturze materiał aktywny, pułapkę dla światła oraz drogę emisji. Konstrukcja pozwala również kontrolować parametry powstającej wiązki. Zmiana wymiarów nanosiatki umożliwia wybór długości fali oraz polaryzacji światła. Technologia może więc wspierać rozwój niewielkich, przestrajalnych laserów półprzewodnikowych.

Źródło: Nauka w Polsce