Лазерный мир

Новый тип твердотельного лазера сможет в будущем заменить обычные полупроводниковые лазеры, используемые в телекоммуникационном оборудовании и бытовой электронике, позволяя существенно снизить количество потребляемой устройствами электрической энергии.

Обычные лазеры работают, накачивая энергией атомы своего материала до того состояния, пока они не начнут испускать фотоны. Новые лазеры работают за счет квазичастиц «поляритонов», которые состоят из фотонов и элементарных возбуждений среды (фононов, экситонов, плазмонов, магнонов), обладающих набором весьма экзотических свойств.

Свет луча лазера имеет строго определенную длину волны. В отличие от света, вырабатываемого другими источниками, все фотоны лазерного света колеблются в одной фазе, делая этот свет когерентным. Такие свойства лазерного света позволяют сконцентрировать в пределах одного луча достаточно большое количество энергии, достаточной для того, чтобы резать металл и другие твердые материалы.

Чтобы понять принцип работы нового лазера, представьте себе атом кристаллической решетки полупроводникового материала. При некоторых условиях электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, могут отделиться от атома и отправиться в самостоятельный путь по кристаллу полупроводника. Пустое место, оставленное отсутствующим электроном, называется электронной дыркой, которая обладает свойствами частицы, несущей положительный электрический заряд. В некоторых случаях свободные электроны и дырки могут сформировать квазичастицу, называемую экситоном (exciton).

Экситоны, существующие внутри полупроводникового кристалла, могут слиться с фотоном света, образуя еще одну квазичастицу, известную как поляритон (polariton). Когда поляритон накачивается энергией выше определенного уровня, он начинает испускать фотоны когерентного света. А устройство, которое использует поляритоны для излучения когерентного света, называется поляритонным лазером.

Ранее ученые уже создавали поляритонные лазеры, но для работы такого лазера требовался еще один обычный лазер, свет от которого использовался для формирования новых поляритонов. Новый же поляритонный лазер, разработанный командой физиков из университета Вюрцбурга (University of Wurzburg) в Германии, возглавляемой Свеном Хефлингом (Sven Hofling), вырабатывает поляритроны электрическим путем, потребляя при своей работе в 100 раз меньше энергии, чем требуется обычным полупроводниковым лазерам.

«Мы создали источник когерентного света совершенно нового типа, которому для работы требуется только обычная батарейка, – рассказывает Хефлинг, – Разработанный нами вид электрической накачки поляритронного лазера делает возможным его практическое применение в скором будущем».

Однако опытные образцы поляритронных лазеров, созданные в настоящее время Хефлингом и его коллегами, работают только при температуре минус 263 градуса по шкале Цельсия (или 10 градусов Кельвина), получаемой за счет охлаждения жидким гелием. «Нашей следующей целью является создание подобного лазера, который будет способен работать при комнатной температуре», – сообщают исследователи.

Описание проведенных исследований, структуры нового поляритонного лазера и его характеристики были опубликованы в журнале Nature от 16 мая 2013 г.

Источник: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/news/9318/doc/63526/