Лазерный мир

Обычно при взаимодействии с веществом свет не меняет своей длины волны, но бывают исключения

Исследователи из МФТИ, Университета ИТМО (Санкт-Петербург) и Австралийского национального университета экспериментально доказали, что наночастицы из кремния могут значительно увеличить интенсивность рассеянного на них света. Этот эффект позволит создавать наноразмерные лазеры и усилители для оптоволоконных линий связи, сообщила сегодня пресс-служба МФТИ.

«В перспективе такие кремниевые наночастицы могут стать платформой для создания компактного нанолазера, что сулит очень интересные приложения в области медицины и биомикроскопии. В частности, с их помощью можно будет отслеживать перемещение отдельных молекул лекарственных препаратов в организме», — говорится в пресс-релизе.

Рамановское комбинационное рассеяние и его использование
Обычно при взаимодействии с веществом свет не меняет своей длины волны, но бывают исключения. Одно из них — это комбинационное или рамановское рассеяние, в котором фотоны падающего света поглощаются молекулой, а потом переизлучаются уже с меньшей энергией и, соответственно, большей длиной волны. Это явление лежит в основе метода рамановской спектроскопии, способного обнаруживать по специфическому оптическому сигналу даже отдельные молекулы вещества.

Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы (отмечен красным), в результате чего молекула переизлучает квант света на другой длине волныРазвернуть
Схематичное изображение комбинационного рассеяния. Падающий фотон возбуждает колебательный уровень молекулы (отмечен красным), в результате чего молекула переизлучает квант света на другой длине волны

Кроме того, рамановское рассеяние широко используют для усиления сигнала в волоконно-оптических сетях. Сегодня для этого применяют различные устройства с размерами большими, чем длина волны света: волноводы или сферические микрорезонаторы. Но сейчас телекоммуникационной индустрии нужны все более миниатюрные устройства — они не только потребляют меньше энергии, но и легче умещаются на электронном или оптическом чипе. Поэтому группа российских и австралийских ученых как раз и работала над миниатюризацией усилителей комбинационного рассеяния.

Новые результаты ученых
В своей работе исследователи использовали кремниевые наносферы, в которых падающий свет возбуждает оптические резонансы — характерные колебания магнитного поля приводящие, в конечном счете, к переизлучению видимого света. При этом частицы разных диаметров обладают различными резонансами и поэтому взаимодействуют со светом всегда немного иначе (например, частицы разных размеров будут светиться разными цветами — переизлучать свет с немного отличными длинами волн)

Ученые проверили, как интенсивность комбинационного рассеяния зависит от диаметра кремниевой частицы. В полном соответствии с разработанной ими теорией, интенсивность комбинационного рассеяния оказалась максимальной при диаметре частицы, совпадающем с длиной волны оптического резонанса. Интенсивность рассеяния такой частицей более чем в 100 раз превосходит величину комбинационного рассеяния в нерезонансных частицах других размеров.

«Комбинационное рассеяние света — невероятно полезный на практике эффект, который позволяет не только обнаруживать микроскопические количества химических соединений, но и передавать информацию на большие расстояния. В связи со стремлением сделать все оптические устройства меньше, становится актуальным поиск наноструктур, которые могут усиливать этот эффект. Наши наблюдения указывают на одного возможного кандидата — кремниевые наночастицы», — прокомментировал результаты исследований аспирант МФТИ, один из авторов работы, Денис Баранов.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nanoscale.

Resonant Raman scattering from silicon nanoparticles enhanced by magnetic response

Enhancement of optical response with high-index dielectric nanoparticles is attributed to the excitation of their Mie-type magnetic and electric resonances. Here we study Raman scattering from crystalline silicon nanoparticles and reveal that magnetic dipole modes have a much stronger effect on the scattering than electric modes of the same order. We demonstrate experimentally a 140-fold enhancement of the Raman signal from individual silicon spherical nanoparticles at the magnetic dipole resonance. Our results confirm the importance of the optically-induced magnetic response of subwavelength dielectric nanoparticles for enhancing light–matter interactions.

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/nr/c5nr07965a

Подробнее на ТАСС: http://tass.ru/nauka/3193524