Ученые ИТМО разработали новый подход, который позволит создавать дешевые и компактные лазеры
Ученые ИТМО продемонстрировали новый подход к генерации лазерного излучения с помощью перовскитных метаповерхностей. Разработанное решение позволит создавать дешевые, компактные лазеры толщиной менее 100 нм, которые требуют значительно меньше энергии, чем их аналоги. Такие лазеры можно использовать в компактных фотонных чипах для управления светом, в качестве источника интенсивного света в медицине (например, для диагностики живых тканей или крови), обработки материалов, астрономии и других сферах. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Поиск низкопороговых и дешевых лазеров – одна из важнейших задач современной фотоники. Ученые ИТМО создали новый подход к генерации поляритонного лазерного излучения, который позволит использовать поляритонные системы в реальных коммерческих устройствах. Для этого исследователи создали перовскитную метаповерхность, у которой в нелинейном режиме под действием оптической накачки появляются так называемые исключительные точки. Это явление создает выгодные условия для поляритонной конденсации, которая необходима для работы лазера.
Преимущество такого подхода в том, что вся система состоит из дешевых перовскитов и не требует дорогостоящих методов синтеза. Обычно поляритонную конденсацию наблюдают в вертикальных брэгговских резонаторах на основе многослойных систем, требующих высокой точности при изготовлении. Но благодаря перовскитам, которые ученые использовали в своей работе, для достижения этого эффекта хватило одной тонкой решетки. Такая решетка компактная и дешевая, а метод ее создания – наноимпринтную литографию – легко масштабировать в будущем. Кроме того, конденсированные поляритоны в такой решетке обладают сильными нелинейными оптическими свойствами, что позволяет управлять лазерным излучением и его спектром при помощи света.
Как проходил эксперимент
Ученые синтезировали перовскитную тонкую пленку, затем методом наноимпринтной литографии с использованием Blu-ray диска в качестве штампа создали метаповерхность в виде решетчатой структуры из перовскита. Толщина готовой поверхности составила 75 нм – это минимальное значение, которого удавалось достичь при создании поляритонных лазеров.
Полученный образец был исследован с помощью спектроскопии с угловым разрешением: смотрели, как свет под действием внешнего импульсного излучения выходит из образца, на какой длине волны и под каким углом. Образец с исключительными точками сравнивали с похожим образцом другой толщины (на 10 нм меньше основного образца). Такое изменение толщины оказалось критичным для появления исключительных точек в нелинейном режиме, которое вызывает поляритонную конденсацию.
Результаты и перспективы
Авторы обнаружили, что полученное поляритонное излучение имеет очень высокую направленность с расхождением меньше одного градуса – раньше такого значения не удавалось достичь для поляритонных планарных лазеров. Такая характеристика позволяет эффективно передавать энергию и информацию с помощью лазеров, а также использовать их для задач спектроскопии, воздействия на живые ткани для их диагностики, лазерных дисплеев и для других применений.
«Благодаря галогенидным перовскитам и специальному дизайну метаповерхности мы реализовали экситон-поляритонную систему, которая может поддерживать безинверсионное поляритонное лазерное излучение. Такое излучение можно получить при комнатной температуре, а еще оно не требует использования резонатора – это удешевляет производство нанолазеров и снижает потребляемую ими энергию. Результаты нашей работы не только проливают свет на новый подход к реализации лазерного излучения, но и открывают путь к созданию дешевых перовскитных нано- и микролазеров с электрической накачкой», – рассказал один из авторов исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Машарин.
В будущем ученые планируют реализовать подобный дизайн в монокристаллических пленках, что позволит снизить порог для лазерной генерации, а впоследствии произвести электрическую накачку лазера.
Фото: Михаил Машарин. Автор: Лилия Кичигина / Новый физтех ИТМО