Изобретения

Международная группа исследователей при участии НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге разработала микролазеры, работающие в диапазоне глубокого ультрафиолета. Устройства излучают свет с длиной волны около 255 нанометров, функционируют при комнатной температуре, а диаметр самого миниатюрного образца составляет примерно два микрометра — это сопоставимо с размером бактерии.

Такие источники света в будущем могут использоваться в сенсорах, спектроскопических установках, фотонных чипах и системах связи.

Глубокий ультрафиолет относится к коротковолновой части ультрафиолетового спектра — его длина волны составляет менее 300 нанометров. Человеческий глаз такой свет не воспринимает, и он не освещает предметы так, как привычное видимое излучение. Однако благодаря высокой энергии фотонов глубокий ультрафиолет активно поглощается различными веществами и способен запускать фотохимические процессы. Поэтому его применяют в анализе газов, выявлении биологически активных соединений, обеззараживании, а также для передачи данных на небольшие расстояния.

Традиционные источники глубокого ультрафиолета, например ртутные лампы или газовые лазеры, имеют существенные недостатки: они громоздки и могут содержать токсичные вещества. Это затрудняет их использование в компактных устройствах. Чем меньше источник излучения, тем проще интегрировать его в сенсор, чип или портативную систему. Но миниатюризация лазеров связана с серьезными технологическими трудностями: в малых структурах сильнее проявляются дефекты материала, потери излучения и отклонения формы.

Команда ученых из НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге, Института физики имени Б.И. Степанова НАН Беларуси, Цилуского технологического университета и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе создала коротковолновые миниатюрные лазеры на сапфировых подложках. Результаты исследования опубликованы в журнале Optics & Laser Technology.

В основе разработки лежит микродисковый лазер на сапфировой подложке. Сапфир выбран не случайно: этот материал уже широко применяется в промышленности, он доступнее и дешевле ряда альтернатив, а также совместим с технологиями микроэлектроники.

«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», — поясняет один из авторов работы, старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ Эдуард Моисеев.

Для создания устройств исследователи вырастили на сапфире тонкие полупроводниковые слои, после чего с помощью микрообработки сформировали из них микродиски диаметром около двух микрометров. Внутри таких дисков свет удерживается за счет эффекта шепчущей галереи и усиливается в активной области, включающей три квантовые ямы.

Принцип работы можно сравнить с распространением звука вдоль изогнутой стены: в микродисковом лазере свет многократно отражается от границы диска и движется по его краю. Благодаря этому излучение остается внутри чрезвычайно малого резонатора без необходимости использовать сложную систему зеркал.

Созданные микролазеры работают при комнатной температуре и излучают на длине волны около 255 нанометров. По словам авторов, это одна из самых коротковолновых реализаций микродисковых лазеров с модами шепчущей галереи на сапфировой подложке. Для самого маленького образца диаметром два микрометра пороговая плотность мощности составила примерно 280 киловатт на квадратный сантиметр — показатель, сопоставимый с лучшими мировыми результатами для столь коротких длин волн.

Пока устройства работают за счет оптической накачки от внешнего лазера. Следующая цель исследователей — перейти к электрической накачке, что сделает технологию более удобной для практического применения.

«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», — отмечает Эдуард Моисеев.

Разработка демонстрирует, что источник глубокого ультрафиолета можно уменьшить до размеров бактерии, сохранив его работоспособность при комнатной температуре. В перспективе такие микролазеры могут найти применение в спектроскопии, биохимических и газовых сенсорах, устройствах UV-C-связи и фотонных чипах, где требуется компактный источник глубокого ультрафиолетового излучения.