Лазеры бывают всех форм, размеров и цветов. Они могут быть изготовлены из газов (газовые лазеры) или на основе твердых материалов (твердотельные лазеры). Они могут излучать свет разных цветов (или длин волн или частот), от рентгеновских лучей (короткие волны) до видимого и дальнего инфракрасного диапазона (длинные волны). Они могут быть размером со здание (лазеры на свободных электронах) или маленькими, как лазерная указка (полупроводниковые диодные лазеры).
В последнее десятилетие исследователи попытались миниатюризировать фотонные технологии для плотной интеграции в крошечные полупроводниковые чипы. С этой целью ведется активная деятельность по разработке нанолазеров еще меньшего размера, из которых плазмонные лазеры являются самыми маленькими.
Плазмонный лазер, говорит Сушил Кумар, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, использует металлические пленки или наночастицы для удержания световой энергии внутри полости, из которой генерируется лазерный свет.
Накапливая световую энергию внутри полости за счет комбинации электронных колебаний в интегрированных металлических пленках или наночастицах, плазмонные лазеры используют поверхностные плазмон-поляритоны (SPP) для хранения энергии в размерах, которые могут быть меньше длины волны света, который они генерируют.
Эта уникальная способность плазмонных лазеров делает их привлекательными для потенциальных приложений в интегрированной (на кристалле) оптике, для передачи больших массивов данных на кристалле и между соседними чипами, а также для сверхбыстрой цифровой обработки информации.
Однако, прежде чем плазмонные лазеры можно будет широко использовать, необходимо решить несколько проблем. По словам Кумара, одной из основных проблем является сложность извлечения света из резонатора плазмонного лазера.
Лазеры также являются чрезвычайно плохими источниками света, и любой выходящий свет будет сильно расходящимся, а не сфокусированным, что сильно ограничивает их полезность.
В то время как большинство плазмонных лазеров излучают видимое или ближнее инфракрасное излучение, группа Кумара разрабатывает плазмонные лазеры, излучающие длинноволновое терагерцовое излучение, которые также известны как терагерцовые квантово-каскадные лазеры или ККЛ. По словам Кумара, как самые яркие твердотельные источники терагерцового излучения, ККЛ уникально готовы найти применение в биологии и медицине для зондирования и спектроскопии молекулярных частиц, для проверки безопасности для дистанционного обнаружения упакованных взрывчатых веществ и других запрещенных материалов, а также в астрофизике. и атмосферная наука.
Однако терагерцовые ККЛ также излучают сильно расходящиеся лучи, что создает препятствие для коммерциализации.
Кумар и его группа продемонстрировали, что можно заставить плазмонные лазеры излучать узкий луч света, применив метод, называемый распределенной обратной связью. Они экспериментально реализовали схему терагерцовых плазмонных лазеров, которые испускают излучение на очень длинных волнах (примерно 100 микрон).
Световая энергия в их лазере удерживается внутри полости, зажатой между двумя металлическими пластинами, разделенными расстоянием 10 микрон. Используя коробчатую полость размером 10 микрон на 100 микрон на 1400 микрон (1.4 миллиметра), группа произвела терагерцовый лазер с углом расходимости луча всего 4 на 4 градуса, что является самой узкой расходимостью, когда-либо достигнутой для таких терагерцовых лазеров.
Кумар, который провел четыре года экспериментальных и теоретических исследований по проекту, описал результаты в статье, опубликованной сегодня в Optica, журнале Оптического общества Америки. «Терагерцовый плазмонный лазер, излучающий сверхузким лучом» был написан Чунчжао Ву, доктором философии.D. кандидат электротехники, в соавторстве с Судипом Ханом, также доктором.D. кандидат электротехники и Джон Л. Рино из Центра интегрированных нанотехнологий в Национальных лабораториях Сандиа в Нью-Мексико.
Распределенная обратная связь через периодические решетки
Распределенная обратная связь (DFB) в лазерах была введена в начале 1970-х годов, говорит Кумар, когда ученые узнали, что реализация периодичности (структурированная структура) позволяет лазерам излучать свет только на одной длине волны.
Периодичность в резонаторе лазера обеспечивает обратную связь для устойчивых лазерных колебаний в резонаторе по механизму брэгговской дифракции.
«Есть две основные причины для придания лазерам периодической структуры», — говорит Кумар. «Во-первых, это улучшение спектральной избирательности. Лазер может излучать свет нескольких близко расположенных длин волн или цветов.
Но лазер с периодической структурой можно заставить излучать свет только на одной длине волны с помощью механизма спектральной фильтрации. Такой спектрально чистый одномодовый лазер часто незаменим для многих приложений.
"Периодическая структура также может улучшить качество лазерного луча, интенсивно направляя свет в узкое пятно. Такие узконаправленные лазеры могут доставлять световую энергию туда, где она больше всего необходима. Они могут светить на больших расстояниях, их легче манипулировать и перенаправлять в желаемое место с помощью небольших оптических компонентов."
Разработано множество схем РОС для различных типов лазеров.
Поскольку плазмонные лазеры относительно новы, исследования по их улучшению с использованием периодических фотонных структур все еще находятся на начальной стадии.
Кумар описывает свою схему DFB в терминологии микроволнового инженерного принципа, называемого фазированной антенной решеткой.
Эти антенны используются для достижения высокой направленности (узкий луч) в радарах и спутниковой связи. Фазированные решетки также реализованы в «микрополосковых линиях передачи», которые направляют микроволновые сигналы на печатные платы с использованием металлических пленок.
«Наша технология позволяет плазмонному лазеру излучать узким лучом, очень похожим на фазированную антенную решетку», — говорит Кумар. Его группа реализовала DFB в лазере, сделав периодические щели или «решетки» в одной из металлических покрытий, которые покрывают лазерный резонатор. Уникальная способность лазера излучать монохроматический сфокусированный световой луч проистекает из степени периодичности.
«Выбранный нами период зависит от желаемой длины волны света от лазера, показателя преломления среды полости и показателя преломления окружающей среды», — говорит Кумар.
У техники группы DFB есть два уникальных аспекта. Выбранная периодичность является наиболее важным техническим вкладом и, по словам Кумара, заметно отличается от ранее установленных правил проектирования DFB для твердотельных лазеров.
Во-вторых, периодичность создает интенсивную волну SPP, которая «висит» в окружающей среде резонатора лазера, оставаясь привязанной к его металлической оболочке, и которая распространяется вместе с другой волной SPP внутри резонатора.
«У всех плазмонных лазеров внутри полостей есть SPP, — говорит Кумар. "Наш лазер также генерирует SPP в воздухе или в любой другой среде, которая может окружать лазер. Это что-то уникальное, чего нельзя найти ни в одном другом лазере, который еще не был продемонстрирован.
"Большой размер волны SPP в окружающей среде приводит к высоконаправленной (узкой) диаграмме направленности плазмонного лазера.
Это происходит из формулы дифракции Фраунгофера в оптике, которая гласит, что распределение светового поля вдали от источника света (дальнее поле) является преобразованием Фурье распределения светового поля в источнике (ближнее поле). Фактически, когда ближнее поле узкое, дальнее поле широкое, и наоборот.
«Мы создали ближнее поле с большой пространственной протяженностью; это подразумевает узкое дальнее поле или сфокусированный луч."
Кумар и Ву подали заявку на патент на свое изобретение, которое, по его словам, может помочь плазмонным лазерам, особенно терагерцовым ККЛ с узкими лучами, найти коммерческое применение.
«Существует очень большой интерес к спектрометрии безопасности», — написали исследователи в аннотации к недавней Всемирной конференции по инновациям TechConnect 2016, на которой они выиграли Национальную инновационную премию TechConnect. «Приблизительно от 80 до 95 процентов взрывчатых веществ, и все они обычно используются, имеют уникальные и идентифицируемые терагерцовые сигнатуры."
Группа Кумара производит лазеры в чистом помещении Центра фотоники и наноэлектроники Лихая. Они выращивают свой полупроводниковый материал с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии в сотрудничестве с Reno. Проект Кумара поддерживался Национальным научным фондом (NSF) с 2011 по 2014 гг. Кумар также получил награду NSF CAREER в 2014 году за разработку полупроводникового материала, который составляет резонаторы терагерцового лазера.
Этот материал основан на чередующихся слоях арсенида галлия и арсенида галлия алюминия.
Кумар недавно получил еще одну награду NSF за улучшение выходной мощности терагерцовых плазмонных лазеров, так что они излучают оптическую мощность до 100 милливатт при сохранении угловой расходимости лазерного луча менее 5 градусов.
Группа предлагает повысить эффективность излучения за счет "фазовой синхронизации" нескольких лазерных резонаторов вместе, чтобы они могли работать в тандеме и обеспечивать более яркую интенсивность лазерного света в желаемом месте.