Российские физики изготовили дешевый нанолазер с помощью перовскита и кольцевых импульсов

Физики из ИТМО, ДВФУ и Самарского университета придумали простой и дешевый способ производства нанолазеров, работающих в оптическом диапазоне. Для этого ученые выжгли на перовскитной пленке микрометровые кольца с помощью фемтосекундного лазера. Каждое такое кольцо работает как оптический резонатор, усиливающий волны из узкого диапазона частот; добротность полученного нанолазера превышает Q = 5000, а рабочие частоты охватывают более половины оптического диапазона. Вдобавок к остальным преимуществам, этот метод производства нанолазеров оказался очень быстрым: всего за 15 минут ученые заполнили кольцами площадь в квадратный сантиметр. Статья опубликована в ACS Nano.

Первый в истории нанолазер — нанометровый генератор когерентного излучения — физики построили менее десяти лет назад, однако он сразу же привлек внимание ученых. В первую очередь такие лазеры нужны для создания ультракомпактных оптических чипов, которые можно использовать для быстрой обработки информации. Кроме того, благодаря малому размеру и возможности настраивать параметры каждого когерентного излучателя, нанолазеры находят применение в ближнепольной спектроскопии, оптическом зондирования биологических систем и генерации электромагнитного излучения сложной формы. Более подробно о преимуществах нанолазера можно прочитать в обзоре «Применения нанолазеров», опубликованном в Nature Nanotechnology.

К сожалению, нанолазеры имеют один серьезный недостаток: производить их сложно и дорого. Во-первых, в настоящее время основным способом получения полупроводниковых нанолазеров является эпитаксия, то есть послойное наращивание кристалла. В ходе такого роста важно следить, чтобы каждый новый слой атомов был правильно ориентирован относительно подложки. Во-вторых, во время изготовления нанолазера нужно следить за температурой системы — из-за перегрева, плавления или лазерной абляции (эрозии) квантовая эффективность лазера может сильно упасть, и использовать его на практике не получится. Поэтому нанолазеры остаются довольно дорогими приборами, а наладить их промышленное производство до сих пор не удалось.

Группа ученых под руководством Сергея Макарова из Университета ИТМО придумала простой и эффективный способ производства нанолазеров, с помощью которого всего за 15 минут можно изготовить несколько миллионов излучателей и заполнить ими квадрат размером 1×1 сантиметр. В отличие от других нанолазеров, основанных на стеклах или полимерах, лазеры группы Макарова сделаны из галоидных перовскитов: соединений метиламмония, свинца и галогена (хлора, брома или иода). Такие соединения обладают высоким коэффициентом преломления (больше двух), то есть из них построить хороший оптический резонатор маленького размера. Кроме того, перовскитные нанофотонные устройства практически не чувствуют дефекты. Это позволяет упростить и удешевить производство.

Чтобы изготовить нанолазер, физики напылили на подложку из кремнезема перовскитную пленку толщиной 760 нанометров, а затем облучили ее вспышками фемтосекундного лазера с кольцевым профилем. Пучок такой необычной формы ученые получили с помощью фазовых масок, сделанных из нескольких обычных дифракционных пластинок и спиральных фазовых пластинок. После десяти вспышек, направленных в одно и то же место, на поверхности перовскита возникало круглое кольцо, тогда как материал внутри и снаружи кольца оставался нетронутым. Изменяя параметры пучка, исследователи получали кольца с диаметром от двух до девяти микрометров. После этого ученые сдвигали лазер и выжигали следующее кольцо. В среднем длительность лазерного импульса составляла 150 фемтосекунд, а частота — сто тысяч вспышек в секунду. Это позволяло выжигать порядка десяти тысяч колец в секунду. Кроме того, благодаря высокой точности лазера ученые размещали соседние кольца на расстоянии всего 0,5 микрометра.

Наконец, физики показали, что изготовленные таким образом кольца работают как нанолазеры. Для этого они просветили их относительно слабой лазерной вспышкой (примерно в сто раз слабее, чем вспышка, которая использовалась для выжигания колец). Оказалось, что каждое кольцо действует как резонатор, то есть усиливает излучение с частотой, совпадающей с частотой моды шепчущей галереи. Поскольку эта частота зависит только от химического состава подложки и геометрических характеристик кольца, все резонаторы действовали одинаково. Более того, полученные нанолазеры обладали рядом важных свойства. Во-первых, они работали при комнатной температуре. Во-вторых, они усиливают моды только с одной конкретной частотой. Из-за этого добротность нанолазеров, то есть отношение длины генерируемой волны к ширине сигнала, превышала Q = 5000. В-третьих, длина волны генерируемого излучения зависела от химического состава перовскита и лежала в диапазоне от 550 до 800 нанометров, то есть охватывала чуть больше половины оптического диапазона.

Авторы статьи надеются, что предложенный ими метод существенно удешевит производство нанолазеров, которые работают в оптическом диапазоне. В частности, ученые считают, что он пригодится при производстве сенсоров и чипов для оптических компьютеров.

В настоящее время нанофотоника, и в частности, нанолазеры, активно развиваются. В апреле 2015 года американские химики впервые получили кристаллы, которые используются в нанолазерах, с помощью обычного осаждения из раствора. Это позволило значительно упростить и удешевить производство таких кристаллов. В ноябре 2016 года исследователи из США и Словении показали, что с помощью нанолазеров можно обойти дифракционный предел, то есть получить изображение с разрешением выше, превышающим длину волны падающего света. А в феврале 2018 физики из ИТМО научились изготавливать дешевые перовскитные наноантенны, которые излучают в диапазоне от 530 до 770 нанометров.

Узнать, как работают физики из Университета ИТМО, можно в нашем материале «Большинство открытий пока еще не сделаны». В частности, в этом материале Сергей Макаров, под руководством которого была написана новая статья, рассказывает про перовскиты и их применение в нанофотонике.

Дмитрий Трунин