Polscy naukowcy stworzyli mikrolaser z azotku galu

Opracowanie wydajnego źródła promieniowania laserowego w skali mikro wymaga pokonania fundamentalnych ograniczeń fizyki falowej. Badacze z polskiego zespołu naukowego, reprezentujący Uniwersytet Warszawski, Instytut Wysokich Ciśnień PAN, Instytut Fizyki PAN, Politechnikę Warszawską oraz Politechnikę Łódzką, stworzyli innowacyjny błękitny laser półprzewodnikowy. Urządzenie działa w temperaturze pokojowej, wykorzystując zaawansowane zjawiska fizyki ciała stałego oraz inżynierii materiałowej. Wyniki prac opisujące to wyjątkowe osiągnięcie ukazały się w renomowanym czasopiśmie naukowym "Nano Letters".

Mechanika uwięzienia światła - zjawisko stanu powiązanego w kontinuum

Klasyczna budowa wskaźników i układów laserowych opiera się na zastosowaniu rezonatora optycznego. W tradycyjnym ujęciu promieniowanie jest odbijane pomiędzy dwoma zwierciadłami, co umożliwia wzmocnienie fali przed jej częściowym wypuszczeniem w postaci zwartej wiązki. Wraz z postępującą miniaturyzacją tego typu układów pojawia się jednak istotny problem fizyczny: światło ucieka z mikroskopijnego rezonatora we wszystkich kierunkach, w tym w głąb podłoża oraz na boki.

Aby zapobiec niekontrolowanym stratom energii, polscy fizycy zastosowali unikalny mechanizm znany w optyce jako stan związany w kontinuum (określany skrótem BIC od angielskiego bound state in the continuum). Zjawisko to pozwala na zatrzymanie fal elektromagnetycznych wewnątrz otwartej struktury bez konieczności stosowania tradycyjnych barier odbijających.

Wykorzystanie stanu quasi-BIC w mikrolaserach

W warunkach czysto teoretycznych idealny stan BIC uwięziłby fotony wewnątrz układu na zawsze, co uniemożliwiłoby wydostanie się promieniowania na zewnątrz i wykluczyło pracę urządzenia. Z tego powodu fizycy użyli zmodyfikowanego wariantu tego zjawiska.

Opisany układ charakteryzuje się następującymi właściwościami:

• powstawanie specyficznego układu fali, w którym zachodzi interferencja wygaszająca blokująca swobodne rozchodzenie się światła na boki

• wprowadzenie kontrolowanych niedoskonałości geometrii, tworzących optymalny efekt quasi-BIC

• możliwość magazynowania energii świetlnej wewnątrz miniaturowego rezonatora przez czas wystarczający do wywołania akcji laserowej

• wypuszczenie małej, spójnej części fotonów na zewnątrz w postaci użytkowej wiązki światła

Dzięki takiemu podejściu pojedyncza struktura pełni równocześnie funkcję ośrodka generującego światło, rezonatora uwięzującego energię oraz elementu ukształtowania wyjściowej wiązki.

Struktura półprzewodnikowa i przestrojenie barwy wiązki

Baza materiałowa polskiego mikrolasera opiera się na związkach azotkowych z grupy III-V układu okresowego. Odpowiednio ukształtowana nanosiatka z azotku galu (GaN) zawiera wewnątrz dwie bardzo cienkie studnie kwantowe wykonane z azotku indowo-galowego (InGaN). To właśnie ta warstwa pełni funkcję materiału aktywnego, w którym dochodzi do rekombinacji ładunków i emisji promieniowania.

Podczas prób laboratoryjnych badacze wykonali mikro-rowki na powierzchni azotku galu, po czym zastosowali pompowe wzbudzenie fotonowe w postaci krótkich impulsów światła nadfioletowego. Zastosowanie takiej architektury pozwoliło na stabilne generowanie spójnego promieniowania błękitnego o długości fali rzędu 445 nanometrów bez konieczności chłodzenia układu do skrajnie niskich temperatur.

Wpływ polaryzacji i geometrii nanostruktury

Opracowany układ cechuje się wyrazistą odpowiedzią na kierunek pola elektrycznego. Pomiary wykazały, że szczytowa polaryzacja emisji w wybranym ustawieniu była aż 52 razy silniejsza niż w kierunku prostopadłym. Świadczy to o niezwykłej precyzji działania nanostruktury i uporządkowaniu generowanej fali.

Ponadto polski zespół udowodnił, że wymiary fizyczne mikroskopijnej siatki bezpośrednio wpływają na parametry wychodzącej wiązki:

1. zmiana szerokości rowków oraz okresu nanosiatki pozwala na płynne przestrajanie długości fali w zakresie od 440 do 460 nanometrów

2. barwa światła zależy nie tylko od składu chemicznego półprzewodnika, ale od samej geometrii układu

3. modyfikacja parametrów siatki umożliwia kontrolowanie poziomu polaryzacji światła wyjściowego

Rozwiązanie to usuwa konieczność syntetyzowania nowych stopów półprzewodnikowych w celu uzyskania innej barwy promieniowania. Wystarczy modyfikacja wzoru naniesionego na podłoże.

Znaczenie odkrycia dla rozwoju miniaturowej optoelektroniki

Osiągnięcie krajowych ośrodków badawczych stanowi ważny krok w dziedzinie fizyki ciała stałego oraz zintegrowanej fotoniki. Sukces ten pokazuje duży potencjał rodzimej myśli naukowej i udowadnia, że zaawansowane układy mikroskopijne mogą powstawać przy efektywnej współpracy polskich uczelni i instytutów PAN.

Dalsze prace nad komercjalizacją i rozwojem tej technologii wpisują się w dążenie do budowy nowoczesnych urządzeń pomiarowych, fotonicznych układów scalonych czy miniaturowych projektorów. Dokonana przez polskich fizyków synteza nanostruktur z mechanizmami optyki kwantowej przybliża moment, w którym miniaturyzacja układów optycznych przestanie być ograniczana przez tradycyjne straty falowe. Rodzimy mikrolaser na bazie azotku galu stanowi dobitny dowód na to, że innowacyjne podejście do podstawowych praw fizyki pozwala pokonywać bariery uznawane dotąd za nieprzekraczalne.

Materiał współtworzony z AI.