Уникальный микродисковый лазер создали российские физики
Уникальный микродисковый лазер создали российские физики
Перестраиваемый полупроводниковый лазер для среднего инфракрасного диапазона (ИК) с термоэлектрическим охлаждением может быть востребован для быстрого определения утечек метана в шахтах, на газопроводах, подземных сооружениях. Устройство найдет применение в экологическом мониторинге, медицинской диагностике, химическом анализе.
Новый ИК лазер способен работать на разной длине волн. Полупроводниковый материал для него выращен в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН). Это единственный в мире научный центр, который обладает технологией синтеза требуемых волноводных структур – множественных квантовых ям на основе теллурида кадмия и ртути. Сделали лазер специалисты Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН), который базируется в Нижегородской области.Ранее лазеры с активной средой на квантовых ямах теллурида кадмия и ртути требовали охлаждения не менее, чем до минус 120 градусов Цельсия. Сейчас ученым удалось добиться повышения рабочей температуры до минус 43 градусов, что позволяет использовать для охлаждения рабочей среды миниатюрный термоэлектрический преобразователь – элемент Пельтье, а не крупногабаритные установки типа криогенных панелей.
– Рабочая (активная) среда лазера – полупроводниковая структура сложного состава, выращенная в ИФП СО РАН, содержит несколько узких квантовых ям (толщинами 3-4 нанометра) на основе теллурида ртути, – рассказал д.ф.-м.н., заведующий лабораторией ИФМ РАН Сергей Морозов. – Именно в узких квантовых ямах возможна генерация излучения в диапазоне 3,8-4,7 микрон. Однако, чтобы сделать лазер, излучение нужно поместить в резонатор, для чего мы рассчитали и изготовили микродисковую конструкцию лазерного резонатора на модах шепчущей галереи. Таким образом, излучение усиливается путем многократного отражения от стенок диска.
Эффект мод шепчущей галереи известен для акустических волн: в Лондоне в соборе Святого Павла можно услышать шепот собеседника, находясь от него даже на противоположном краю округлого сооружения, на расстоянии более 33 метров. Это достигается в результате отражения звука от стенок собора. Возникает так называемая стоячая звуковая волна. Микродисковый резонатор лазера работает похожим образом, но не для звуковых волн, а для инфракрасного излучения в диапазоне 3-5 микрон.
Ключевую роль в работе лазера играют физические характеристики материала. Квантовая яма – это тонкий слой полупроводника, толщиной несколько десятков атомов, ограниченный с двух сторон барьерными слоями – полупроводниками другого состава. Чтобы вырастить такую структуру, ее состав и толщину контролируют на атомарном уровне. Выращивали многослойные структуры с квантовыми ямами (в лазере их 13) методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН. В институте отработана технология контролируемого выращивания квантовых ям на основе теллурида кадмия ртути и запатентован способ контроля толщины и состава с помощью эллипсометрических измерений.
– Мы можем воспроизводимо выращивать структуры даже с большим числом квантовых ям – 40-50. Больше никто в мире не умеет этого делать, – уточнил старший научный сотрудник ИФП СО РАН к.ф.-м.-н. Николай Михайлов (на снимке).
Пока лазер экспериментальный, это лабораторный прототип. Разработчики планируют уменьшить его в размерах, чтобы получить небольшие коммерческие полупроводниковые лазеры, доступные на рынке.
Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом научном журнале «Applied Physics Letters». Исследования проводились в рамках крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», поддержанного Минобрнауки России.
По информации пресс-службы ИФП СО РАН
Автор фото Виктор Яковлев
Другие новости на тему
Комментарии