Явление, которое решает общую проблему в лазерах

Команда ученых, возглавляемая физиками из Университета Юты, обнаружила, как решить основную проблему, которая возникает в лазерах, изготовленных из нового типа материала, называемого квантовыми точками. Никогда ранее невиданное явление будет иметь важное значение для новой области исследований в области фотоники, в том числе для создания микрочипов, которые кодируют информацию, используя свет вместо электронов.

Лазеры — устройства, которые усиливают свет, часто производя единственный, узкий луч света. Сила луча зависит от материала, из которого был построен лазер; свет проходит через материал, который производит луч из световых волн с одинаковыми длинами волн, концентрируя много энергии в небольшой области. Это свойство материала, позволяющее усиливать энергию пучка, называется «усилением».

Многие ученые строят лазеры с квантовыми точками. Квантовые точки представляют собой крошечные кристаллы полупроводниковых материалов, выращенные до размеров всего около 100 атомов в поперечнике. Размер кристаллов определяет длину волны светового луча, от синего света до красного и даже в инфракрасном диапазоне.

Ученых интересуют лазеры на квантовых точках, потому что они могут настраивать свойства, просто выращивая кристаллы разных размеров, используя разные полупроводниковые материалы и выбирая лазеры разных форм и размеров. Недостатком является то, что лазеры на квантовых точках часто содержат незначительные дефекты, которые разделяют свет на несколько длин волн, что распределяет энергию луча и делает его менее мощным. В идеале необходимо, чтобы лазер концентрировал энергию на одной длине волны.

Новое исследование стремилось исправить этот дефект. Во-первых, сотрудники из Технологического института Джорджии сделали 50 микроскопических дискообразных лазеров на квантовых точках из селенида кадмия. Затем исследователи показали, что почти все отдельные лазеры имеют дефекты, которые разделяют длины волн лучей.

После этого физики соединили два лазера вместе, чтобы исправить разделение по длине волны. Они установили один лазер на полное усиление, которое характеризует максимально возможное количество энергии. Чтобы добиться полного усиления, ученые направили на первый лазер зеленый свет, называемый светом «накачки». Материал с квантовыми точками поглощал свет и излучал более мощный луч красного света.

Чем сильнее был зеленый свет, излучаемый на лазер, тем выше прирост энергии. Когда второй лазер не имел усиления, различие между двумя лазерами предотвращало любое взаимодействие, и разделение все еще происходило. Однако, когда ученые направили зеленый свет на второй лазер, его усиление увеличилось, закрыв разницу усиления между двумя лазерами. Как только усиление в двух лазерах стало одинаковым, взаимодействие между двумя лазерами исправило разделение и сфокусировало энергию в одну длину волны. Это явление наблюдалось исследователями впервые в мире.

Полученные результаты имеют значение для оптики и фотоники. В последние 30 лет исследователи экспериментировали с использованием света для переноса информации, а не электронов, используемых в традиционной электронике. Лазеры были бы большой частью этого, и правильное разделение по длине волны может обеспечить значительное преимущество для управления информацией с помощью света. Также может быть важным преимуществом в этой области использование таких материалов, как квантовые точки.

«Не исключено, что кто-то может создать бездефектный лазер с квантовыми точками, но это будет дорого и займет много времени. По сравнению с этим наша работа — более быстрый, более гибкий и экономически эффективный способ решения проблемы», — говорят ученые. «Это хитрость, так что нам не нужно создавать идеальные лазеры на квантовых точках».

Evan Lafalce et al. Robust lasing modes in coupled colloidal quantum dot microdisk pairs using a non-Hermitian exceptional point, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-08432-6