В Санкт-Петербурге группа ученых совместно с российскими и зарубежными коллегами разработала нанолазер на базе нитридных нитевидных нанокристаллов InGaN. Этот прибор отличается рекордно малой шириной полосы излучения 0,15 нм, а его миниатюрные размеры делают устройство востребованным для сенсорных систем, микроскопии и интегральных измерительных чипов. Уникальные характеристики открывают широкие возможности для внедрения в самые современные технологии.
Особенности строения и принципы работы нанолазера
В современных плазмон-поляритонных нанолазерах используются специальные полупроводниковые нитевидные нанокристаллы, что позволяет сокращать ключевые размеры устройства до сотен нанометров. Обычные лазеры, применяемые в указках или сканерах, сталкиваются с фундаментальным ограничением, известным как дифракционный предел, который не дает уменьшить световое пятно менее определенной длины волны. Как следствие, их минимальные размеры составляют от нескольких микрометров до миллиметров, что значительно больше параметров нанолазера, превосходящего их по компактности.
Этот дифракционный предел скрывает мир мельчайших объектов — вирусов, отдельных белков и наночастиц. Обычный лазер или микроскоп не способен обнаружить настолько малые объекты. Чтобы преодолеть это ограничение, в конструкции плазмон-поляритонного нанолазера используется комбинация света и электронных колебаний. Так возникает поверхностьная плазмон-поляритонная волна, способная сосредотачивать энергию в областях, многократно меньше дифракционного предела.
Применение нанолазера в высокоточных измерениях и научных исследованиях
Создание устройств с экстремально узкой полосой излучения открывает перспективы для высокоточного зондирования, обнаружения отдельных молекул, а также работы с единичными наночастицами в биологических и химических средах. Дополнительно возможности нанолазера востребованы для квантовой обработки информации и в микроскопических исследованиях, где требуется сверхвысокое разрешение.
Разработчикам удалось добиться поперечного размера лазерного элемента не более 60 нм, а ширина полосы излучения сохранилась на уникально низком уровне — примерно 0,15 нм. Это в пять-десять раз превышает точность обычных полупроводниковых лазеров. Добиться таких характеристик позволили материалы с высоким качеством, идеально гладкие поверхности и совершенно однородная активная среда.
Технологические достижения и научные инновации
В процессе создания нанолазера использована система одиночных нитевидных кристаллов, расположенных на специально изготовленной металл-диэлектрической подложке. Ученые объединили преимущества разных методов и материалов, в том числе молекулярно-пучковую эпитаксию, нитридные нанокристаллы и квантовые ямы на базе InGaN. Это сочетание позволило достичь высокой однородности испускания и стабильности результата.
Такой технологический подход обеспечивает рекордную узкую полосу излучения и компактность конструкции. Достигнутые технические показатели дают основания прогнозировать широкое использование новых синих нанолазеров не только в современной науке, но и в высокотехнологичной промышленности и медицине, где требуется высокая точность анализа и измерений на наноуровне.
Потенциал для развития фотонных и сенсорных технологий
Перед учеными открывается путь к дальнейшему совершенствованию разработанного устройства: сейчас проводится работа по увеличению рабочей температуры нанолазера, а также по переходу от оптической накачки к электрическому режиму возбуждения. Замена внешнего светового источника на прямое электрическое питание позволит повысить надежность и упростить интеграцию лазера в различные системы.
Нитевидные нанокристаллы на основе нитридных полупроводников позволяют создавать нанолазеры, работающие в разных диапазонах — от ультрафиолетового, который используется для обеззараживания, до инфракрасного, востребованного в телекоммуникациях. Благодаря этому открываются перспективы для создания новых компонентов фотонных схем и сенсорных платформ различного назначения.
Будущие приложения и внедрение в современные технологии
Уникальные свойства нанесенного нанолазера обеспечивают его важную роль в масштабируемых системах локализации света. Это важно для биохимического анализа, чувствительной сенсорики, сверхчеткой микроскопии и построения элементов фотонных интегральных схем.
Высокая чувствительность и минимальные размеры прибора открывают возможности для применения в самых разных сферах, где критически важны точность и миниатюризация. Перспективные результаты будут полезны для медицинской диагностики, охраны окружающей среды, разработки новых телекоммуникационных решений и других смежных областей.
Международное сотрудничество и коллектив исследователей
В реализации проекта приняли участие представители нескольких ведущих российских вузов. Сотрудничество ученых Санкт-Петербургского государственного университета, Алферовского университета, научно-образовательного центра в Санкт-Петербурге, а также российских и зарубежных исследовательских коллективов внесло значительный вклад в достижение выдающихся технических и научных результатов.
Комплексная работа в рамках международного сотрудничества усиливает значимость проекта не только для российской науки, но и для мировой исследовательской среды, способствуя развитию новых технологий общего пользования.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
Источник: scientificrussia.ru
