XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Первый нанолазер был изготовлен около десяти лет назад. До недавнего времени производство микро и нанолазеров было весьма дорогим и затруднительным процессом, так как требовало высокой точности изготовления наноструктур. Однако группа российских ученых нашла простой и эффективный способ изготовления таких нанолазеров на основе галоидных перовскитов: соединений метиламмония, свинца и галогена (хлора, брома или йода), под действием фемтосекундных импульсов [1].  Эти соединения обладают чрезвычайно высоким коэффициентом преломления и практически не чувствительны к дефектам, что позволяет их использовать для построения оптического резонатора нанометрового размера. При этом геометрия такого резонатора может быть весьма разнообразной, но должна обладать правильной формой. Перовскитные резонансные микроструктуры, представляющие собой нанолазеры, могут быть изготовлены в виде нанопроволоки, микродиска, микросферы, плоской микроструктуры с многоугольной (треугольной, квадратной, шестиугольной) формой. Нанолазеры обычно работают при сильном охлаждении до криогенных температур. Нанолазеры, генерирующие лазерное излучение в широком спектральном диапазоне при комнатной температуре, стали мощными инструментами для самых современных приложений в оптоэлектронике и нанофотонике.

Типы нанолазеров:

Лазер на микродисках

Фотонно-кристаллический лазер

Нанопроволочный нанолазер

Плазмонный нанолазер

1. Лазер на микродисках - это очень маленький лазер, состоящий из диска со встроенными в него структурами квантовых ям. Его размеры могут существовать в микромасштабе или наномасштабе. Лазеры на микродисках используют резонатор в режиме шепчущей галереи типа  резонансная полость. Свет в резонаторе распространяется по периметру диска, и полное внутреннее отражение фотонов может привести к сильному удержанию света и высокой добротности, что означает мощную способность микрополости накапливать энергию фотонов, поступающих в резонатор [2], [3].

2. Лазеры на фотонных кристаллах используют периодические диэлектрические или полупроводниковые  структуры с различными показателями преломления; свет может быть ограничен с помощью микрорезонатора на фотонных кристаллах. В диэлектрических материалах существует упорядоченное пространственное распределение. При наличии дефекта в периодической структуре двумерная или трехмерная фотонно-кристаллическая структура будет ограничивать свет в пространстве дифракционного предела и вызывать резонанс Фано явление, которое означает высокий коэффициент качества при сильном ограничении света для лазеров. Фундаментальной особенностью фотонных кристаллов является фотонная запрещенная зона, то есть свет, частота которого попадает в фотонную запрещенную зону, не может распространяться в кристаллической структуре, что приводит к высокой отражательной способности падающего света и сильному удержанию света в небольшом объеме диапазона длин волн.Появление фотонных кристаллов полностью подавляет спонтанное излучение в фотонном промежутке. Но высокая стоимость фотонных кристаллов препятствует разработке и распространению приложений фотонно-кристаллических лазеров [3].

3.Полупроводниковые нанопроволочные лазеры имеют квазиодномерную структуру с диаметром от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров и длиной от сотен нанометров до нескольких микрон. Ширина нанопроводов достаточно велика, чтобы игнорировать эффект квантового размера, но они представляют собой высококачественные одномерные волноводы с цилиндрическим, прямоугольным, тригональным и гексагональным поперечными сечениями. Квазиодномерная структура и высокая отражательная способность нанопроволочного лазера делают его хорошим оптическим волноводом и способностью удерживать свет [3].

4. Нанолазер на основе поверхностного плазмона известен как плазмонный нанолазер, размер которого намного превышает предел дифракции света. В частности, если плазмонный нанолазер является наноскопическим в трех измерениях, его также называют spaser, который, как известно, имеет наименьший размер резонатора и размер моды. Разработка плазмонного нанолазера стала одним из наиболее эффективных технологических методов лазерной миниатюризации в настоящее время.Немного отличаясь от обычных лазеров, типичная конфигурация плазмонного нанолазера включает в себя процесс передачи энергии для преобразования фотонов в поверхностные плазмоны.В плазмонном нанолазере или спазере экситонами являются уже не фотоны, а поверхностные плазмонные поляритоны. Поверхностные плазмоны представляют собой коллективные колебания свободных электронов на металлических поверхностях под действием внешних электромагнитных полей. В соответствии с их проявлениями, режим резонатора в плазмонных нанолазерах можно разделить на распространяющиеся поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) и не распространяющиеся локализованные поверхностные плазмоны (LSP) [3], [4].

Благодаря уникальным возможностям, включая низкие пороги генерации, высокую энергоэффективность и высокие скорости модуляции, нанолазеры демонстрируют большой потенциал для практического применения в областях определения характеристик материалов, интегрированных оптических соединений и зондирования. Нанолазеры используются для: определения характеристик материалов (Интенсивные оптические поля такого лазера также обеспечивают эффект усиления в нелинейной оптике или поверхностно-усиленном комбинационном рассеянии (SERS).Нанолазеры из нанопроволоки могут быть способны к оптическому обнаружению в масштабе одной молекулы с высоким разрешением и сверхбыстрой модуляцией); интегрированных оптических межсоединений (Интернет развивается с чрезвычайно высокой скоростью с большим потреблением энергии для передачи данных. Высокая энергоэффективность нанолазеров играет важную роль в снижении энергопотребления для будущего общества); для зондирования (Недавно были продемонстрированы плазмонные нанолазерные сенсоры, которые могут обнаруживать определенные молекулы в воздухе и использоваться для оптических биосенсоров. Молекулы могут изменять поверхность металлических наночастиц и влиять на скорость поверхностной рекомбинации среды усиления плазмонного нанолазера, что способствует механизму восприятия плазмонных нанолазеров) [2].

Хотя нанолазеры показали большой потенциал, все еще существуют некоторые проблемы, связанные с широкомасштабным использованием нанолазеров, например, нанолазеров с электрическим впрыском, разработкой конфигурации резонаторов и улучшением качества металла. Для нанолазеров реализация работы с электрическим впрыском или накачкой при комнатной температуре является ключевым шагом на пути к его практическому применению. Однако большинство нанолазеров имеют оптическую накачку, и реализация нанолазеров с электрической инжекцией в настоящее время по-прежнему является основной технической проблемой.Только в нескольких исследованиях сообщалось о нанолазерах с электрической инжекцией. Кроме того, все еще остается проблемой разработка конфигурации резонатора и улучшение качества металла, которые имеют решающее значение для удовлетворения требований к высокой производительности нанолазеров и достижения их применений. В последнее время массивы нанолазеров демонстрируют большой потенциал для повышения энергоэффективности и ускорения скорости модуляции.

Список литературы

https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.da3e1d05-639c697e-e2248c19-74722d776562/https/en.wikipedia.org/wiki/Nanolaser#cite_note-:3-4

https://in-science.ru/library/article_post/spektralnyj-analiz-emissii-nanolazerov#:~:text=Первый%20нанолазер%20был%20сформирован%20около,иода)%2C%20под%20действием%20фемтосекундных%20импульсов

https://intalent.pro/article/nanotehnologii-i-oblasti-ih-primeneniya.html

https://www.cnews.ru/articles/nanolazery_budushchee_tehnologii_i_rynka