Международная команда исследователей при участии НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге создала микролазеры, излучающие в диапазоне глубокого ультрафиолета — 255 нанометров. Устройства работают при комнатной температуре, а диаметр самого маленького из них — около двух микрометров, что сопоставимо с размером бактерии. Такие лазеры могут применяться для сенсоров, спектроскопических систем, фотонных чипов и устройств связи. Работа опубликована в журнале Optics & Laser Technology.
Глубокий ультрафиолет — часть ультрафиолетового диапазона с очень короткой длиной волны, менее 300 нанометров. Такой свет не виден глазу и не освещает пространство в привычном для человека смысле. При этом из-за высокой энергии фотонов глубокий ультрафиолет хорошо поглощается веществом и может запускать фотохимические реакции. Поэтому его используют для технологических задач: анализа газов, обнаружения биологически активных веществ, обеззараживания или передачи данных на небольшие расстояния.
Привычные источники такого излучения — ртутные лампы или газовые лазеры — содержат токсичные вещества, а кроме того, громоздки. Для многих задач это ограничение: чем меньше источник света, тем проще встроить его в чип, сенсор или другое компактное устройство. Однако создать такой лазер и удержать в нем свет сложнее: дефекты материала, потери излучения или неточности формы сильнее сказываются на работе маленького устройства.
Международная команда ученых из НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге, Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, и Цилуского технологического университета (Китай) разработала коротковолновые миниатюрные лазеры на сапфировых подложках.
«Сапфир уже широко используют на производствах, он дешевле и доступнее некоторых альтернатив. При этом с ним можно работать привычными для микроэлектроники методами: выращивать слои, формировать рисунок и вытравливать элементы устройства. Это открывает путь к созданию компактных фотонных чипов для спектроскопии, биосенсоров и систем связи в ультрафиолетовом диапазоне», — комментирует один из авторов исследования, старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ Эдуард Моисеев.
Исследователи вырастили на сапфире тонкие полупроводниковые слои, а затем с помощью методов микрообработки сформировали из них микродиски диаметром около двух микрометров. Именно в этих крошечных дисках свет удерживается за счет эффекта шепчущей галереи и усиливается в активной области, содержащей три квантовые ямы. Подобно тому, как звук распространяется вдоль изогнутой стены в галерее, в микродисковом лазере ведет себя свет: он многократно отражается от границы диска и «бежит» по его краю. Это позволяет удержать излучение внутри очень маленького резонатора без сложной системы зеркал.
Полученные лазеры работают при комнатной температуре и излучают на длине волны около 255 нанометров. По оценке авторов, это одна из самых коротковолновых реализаций микродисковых лазеров с модами шепчущей галереи на сапфире. Для самого маленького устройства диаметром 2 микрометра пороговая плотность мощности составила около 280 кВт/см², что соответствует лучшим мировым результатам для столь коротких длин волн.
«Сейчас эти устройства работают за счет оптической накачки от внешнего лазера, однако следующим шагом станет переход к электрической накачке. В практическом плане это гораздо удобнее, поскольку позволит использовать микролазеры в реальных портативных устройствах, избавив от необходимости применять громоздкие внешние источники света. Для этого предстоит снизить электрическое сопротивление слоев, обеспечить эффективную доставку электрических зарядов в область, где возникает лазерное излучение, и при этом сохранить высокое качество кристалла», — считает Эдуард Моисеев.
Исследование показывает, что лазер глубокого ультрафиолета можно уменьшить до размера бактерии и при этом сохранить его работу при комнатной температуре. В перспективе такие микролазеры могут использоваться в спектроскопических системах, биохимических и газовых сенсорах, устройствах UV-C-связи и фотонных чипах, где нужен компактный источник глубокого ультрафиолета.