XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Спазер представляет собой наноразмерный источник оптических полей, который исследуется в ряде ведущих лабораторий по всему миру. Спазеры могут найти широкий спектр применений, включая  наноразмерную литографию, изготовление сверхбыстрых  фотонных  нано-схем, биохимическое зондирование одиночных молекул и микроскопию.

Спазер является наноплазмонным аналогом  лазера, но (в идеале) не излучает фотоны. Он аналогичен обычному лазеру, но в спазере фотоны заменяются поверхностными плазмонами, а резонансная полость заменяется наночастицей, которая поддерживает так называемые плазмонные моды. Подобно лазеру, источником энергии для механизма разряда является активная (усиливающая) среда, возбуждаемая внешней накачкой в виде оптического излучения. Это поле возбуждения может быть оптическим и не зависеть от рабочей частоты спазера; например, спазер может работать в ближнем  инфракрасном диапазоне, но возбуждение усиливающей среды может быть достигнуто с помощью ультрафиолетового импульса. Причина того, что поверхностные плазмоны в спазере могут работать аналогично фотонам в лазере, заключается в том, что их соответствующие физические свойства одинаковы.

Во-первых, поверхностные плазмоны – это бозоны : они представляют собой векторные возбуждения и имеют спин 1, как и фотоны. Во-вторых, поверхностные плазмоны - это электрически нейтральные возбуждения. В-третьих, поверхностные плазмоны представляют собой наиболее коллективные материальные колебания, известные в природе, что означает, что они являются наиболее гармоничными (то есть очень слабо взаимодействуют друг с другом). Таким образом, поверхностные плазмоны могут подвергаться вынужденному излучению, накапливаясь в одном режиме в большом количестве, что является физической основой как лазера, так и спазера.

Принципы работы спазера

Во введении к данной работе было указано, что существует некоторое сходство между принципами работы обычного лазера и спазера. В данном разделе мы сравним эти устройства друг с другом и выявим наиболее существенные отличия между ними.

На рис. 1а схематично изображен лазер. Неотъемлемой частью устройства является резонатор, заполненный активными атомами. Активная среда переводится в состояние с инверсной заселенностью под действием накачки (оптической, электрон- ной и т.п.). Через некоторое время один из атомов спонтанно излучает фотон в моду резонатора, который затем движется внутри резонатора, отражаясь от его краев (зеркала, грани кристалла и т.п.), провоцируя другие атомы излучить в ту же моду, причем когерентно (вынужденное излучение). Некоторые фотоны покидают резона- тор за счет неидеальной отражающей способности его краев, и этот поток формирует излучение лазера. Такой уход фотонов обуславливает потери в рассматриваемой системе и напрямую связан с добротностью резонатора. Типичное значение добротности составляет Q ∼ 10⁵ для оптических резонаторов.

Наличие резонатора накладывает принципиальное ограничение на размер лазера: он не может быть меньше половины генерируемой длины волны. Однако, в 2003 году Д. Бергман и М. Штокман предложили замену резонатору , которая позволяет преодолеть это ограничение.

Известно, что локализованный поверхностный плазмон присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При достаточно малых размерах этих частиц, когда диаметр частицы меньше длины волны входящего электромагнитного излучения, наночастица может быть рассмотрена как колеблющийся диполь.

Такая наночастица была сформирована на основе сферы из золота размером ~ 14 нм и покрыта оболочкой из диоксида кремния с примесью зеленого органического красителя Oregon Green 488 (рисунок 5). Общий диаметр наночастицы был в пределах 44 нм. Накачка спазера осуществлялась с помощью внешнего лазерного источника. Облученная наночастица возбуждала молекулы оболочечного красителя. Энергия возбуждения передавалась окружающим электронам, которые в свою очередь возбуждали поверхностные плазмоны. Возникало свечение на зеленой длине волны (531 нм). Свет излучался по всем направлениям и был когерентным. Было показано, что спазер генерирует когерентные поверхностные плазмоны. Актуальна замена оптического метода накачки спазера на электрический.

Рис.2 - Конструкция спазера (а) и его спектр вынужденного излучения (б); I — ядро из золота, II — оболочка из силиката натрия, III — диоксид кремния с красителем

Список литературы

[Электронный ресурс]. URL:  https://ru.wikibrief.org/wiki/Spaser(дата обращения 17.12.2022)

[Электронный ресурс]. URL: https://chair.itp.ac.ru/biblio/masters/ https://ru.wikibrief.org/wiki/Spaser(дата обращения 17.12.2022)

[Электронный ресурс]. URL: https://www.iae.nsk.su/images/stories/ https://ru.wikibrief.org/wiki/Spaser(дата обращения 17.12.2022)

[Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/8236777/page:5/ https://ru.wikibrief.org/wiki/Spaser(дата обращения 17.12.2022)

[Электронный ресурс]. URL: https://scienceforum.ru/2015/article/2015009166 https://ru.wikibrief.org/wiki/Spaser(дата обращения 17.12.2022)