Лазерный мир

С помощью тончайших полых проводов из галлия и азота физикам удалось получить полые лазерные лучи в форме кольца. Эксперты утверждают, что их можно использовать для создания оптических волокон из разреженного воздуха.

Крошечные полые провода могут излучать лазерный свет в форме пончика, который можно использовать для левитации небольших объектов или передачи информации.

В привычных нам лазерных установках лучи при попадании на поверхность кажутся одной маленькой точкой света. Однако если речь идет о новых способах передачи информации — с помощью света — целесообразнее использовать лазеры, формирующие полые лучи, типа трубочки для питья. Такие лучи при контакте с поверхностью выглядят как кольцо света.

Подобные «пустотелые» лазеры можно использовать для манипулирования и левитации небольших объектов в лабораторных условиях. Более того, они могут выполнять функцию оптического волокна, по которому можно передавать другие световые сигналы, несущие информацию. Масато Такигучи из NTT Basic Research Laboratories в Японии и его коллеги придумали, как изготовить такие лазеры в миниатюре.

Специалисты использовали небольшой лист сапфира для нанесения на его поверхность нитрида галлия — твердого кристаллического материала. Затем из нитрида галлия они сформировали «крошечный лес» полых нанопроводов, внешний радиус каждого из которых составил несколько сотен нанометров — меньше, чем толщина человеческого волоса. Именно эти нанопроволоки и выполняют роль лазеров.

Чтобы проверить работоспособность новой лазерной установки, инженеры подали энергию на нанопровода, осветив их ультрафиолетовым светом. Когда они использовали детектор для улавливания света, излучаемого нанопроводами, то заметили, что полые структуры проводов — из-за которых свет отражается внутри них, прежде чем выйти наружу — заставляют излучать трубчатые пучки света с поперечным сечением в форме пончика.

После многократных экспериментов Такигучи и его коллеги пришли к выводу, что из нанопроволок с внешним радиусом 200 нанометров получились самые эффективные лазеры.

Патрик Паркинсон из Манчестерского университета (Великобритания) говорит, что это первый случай создания полых нанопроволочных лазеров, так как это очень сложная техническая задача. Однако прежде, чем они будут готовы к практическому использованию, потребуется много доработок, считает эксперт. К примеру, питание ультрафиолетовым светом слишком энергозатратно для большинства применений, к тому же на данном этапе они генерируют лазерный свет на длинах волн, не совместимых со стандартными устройствами связи, отмечает он. «Это потрясающее экспериментальное достижение, хотя и сложное для практического применения», — подчеркнул Паркинсон.

(a) Схематическое изображение полых нанопроводов GaN на сапфировой подложке. (b) Изображение полученных методом растровой электронной микроскопии полых нанопроводов GaN на сапфировой подложке. (c) РЭМ-изображение одной полой нанопроволоки GaN.

Аннотация

Методом сублимации на сапфировой подложке авторы проекта изготовили полые нанопроволоки на основе GaN и обнаружили, что они демонстрируют лазерные колебания при комнатной температуре. Эти очень длинные, полые, наноразмерные структуры невозможно изготовить другими способами. Кроме того, эксперты определили условие, при котором основная мода является азимутально поляризованной, исследовав дисперсию полой структуры. Анализ измеренных эмиссионных свойств показывает, что полая нанопроволока работает как топологический, векторно-лучевой источник свет

Разработчики, утверждают, что новый способ сублимации имеет преимущество перед другими методами, такими как сухое травление, для изготовления таких высококонтрастных структур. Поскольку полые нанопроволоки расположены вертикально на сапфировой подложке, являющейся материалом с низким коэффициентом преломления, авторам удалось добиться лазерных колебаний путем формирования резонатора Фабри-Перо. Впервые удалось подтвердить возникновение лазерных колебаний в полых нанопроволоках. Детальный модальный анализ показал, что новая структура имеет осесимметричную основную моду. Ученые экспериментальным путем доказали, что структура излучает векторный пучок при комнатной температуре.

Кроме того, такие лазерные конструкции можно интегрировать в оптические волокна, поскольку они могут излучать свет вертикально. А значит, они могут применяться для оптической связи. 
Они также могут быть полезны для улавливания наночастиц вблизи нанопроводов. В этом докладе авторы показали, что данная структура имеет аксиально-симметричный режим поляризации, но не имеет режима OAM (орбитального углового момента). Однако, если ввести спиральную структуру, то возможно добиться появления OAM-моды. Такая конфигурация очень интересна как новое направление исследований. Кроме того, исследование устройств также является важным и перспективным. Возможно, придется улучшить состояние поверхности путем мокрой обработки гидроксидом тетрабутиламмония (46) и рассмотреть возможность создания структур инжекции тока на основе прозрачных электродов. 

(a) Разница в эффективном показателе преломления мод между HE11-подобными модами и модой в форме пончика. (b) Режим резонатора в полой нанопроволоке на сапфировой подложке. Красные стрелки показывают направление электрического поля в момент времени.

Авторы отмечают, что разработка волноводов для пончиковых пучков (оптических волокон, которые также имеют кольцевую моду) ведется очень активно.  Если новую технологию удастся совместить с такими волноводами, то полученный результат можно будет использовать для создания системы передачи данных. Более того, пишут эксперты, разработанная методика потенциально позволяет создавать лазеры на Si-подложке вместо сапфира, а следовательно, будет полезна для создания оптоэлектронных устройств.

 Еще одно потенциальное применение — оптические ловушки и манипуляторы. В данном контексте наноразмерные лазеры с узором ближнего поля в форме пончика смогут создавать круговое электрическое поле в крошечном пространстве. Таким образом, полые нанопроволоки, способные излучать топологический свет, могут внести вклад в новые фундаментальные технологии, связанные с коммуникациями, а также в области исследования оптических ловушек.

Источник: https://overclockers.ru/blog/amv212/show/139951/Lazery-ton-she-chelovecheskogo-volosa-mozhno-ispol-zovat-dlya-sozdaniya-opticheskih-volokon