Nanolasery

Najmniejszy z najmniejszych

Rys. 6. Plazmony propagują się po powierzchni nanodrutu CdS, stymulują powstanie nowych plazmonów i ostatecznie generację promieniowania

Wymiary laserów zmniejszano praktycznie od początku ich wynalezienia 50 lat temu, ale 44-nanometrowy "spaser" (z ang. surface plasmon resonance nanolasers) jest do tej pory rekordowo mały i rekord ten będzie trudny do pobicia. Urządzenie to powstało w 2009 roku w wyniku współpracy kilku ośrodków naukowych z USA. Zasada jego działania jest zbliżona do zasady działania tradycyjnych źródeł promieniowania.

W konwencjonalnym laserze wiązka światła krąży pomiędzy dwoma zwierciadłami, stymuluje ośrodek aktywny do generacji nowych fotonów o tych samych parametrach (długości fali, tej samej fazie i tym samym kierunku propagacji), czyli powstania wiązki koherentnej. Jak działa zatem taki spaser? Naukowcy oświetlili konwencjonalną niebiesko-zieloną wiązką laserową strukturę, będącą zawiesiną nanocząstek. Każda z nanocząstek miała jądro wykonane ze złota, otoczone cienką warstwą krzemianu sodu.

Zewnętrzna warstwa powłoki nanocząstki wykonana była z molekuł barwnikowych (rys. 5). Kiedy złoty rdzeń molekuły zostaje wzbudzony przez fotony, powierzchnia molekuły zaczyna drgać zgodnie z oscylacjami elektronów, następuje powstawanie tzw. plazmonów powierzchniowych. Oddziałują one na molekuły barwnikowe, a te uwalniają kolejne plazmony o tej samej energii, powodując emisję promieniowania w zakresie 530nm. Zupełnie odmienną konstrukcję lasera plazmonicznego, wykonanego z nanodrutów siarczku kadmu (CdS), wykonali fizycy z uniwersytetu w Berkeley.

Wnęka rezonansowa w laserach półprzewodnikowych Rys. 7. Podstawowe elementy lasera: obszar wzmocnienia oraz wnęka optyczna: γ - obszar aktywny, L - długość optycznej wnęki rezonansowej, R1 i R2 - odbicia od zwierciadeł wnęki umożliwiające powstanie dodatniego sprzężenia zwrotnego Laser to generator promieniowania elektromagnetycznego, w skład którego tradycyjnie wchodzą obszar aktywny zapewniający wzmocnienie optyczne uzyskiwane poprzez emisję wymuszoną oraz optyczna wnęka rezonansowa, która ogranicza ruch fotonów, powodując powstanie dodatniego sprzężenia zwrotnego (rys. 7). Postępująca miniaturyzacja struktur laserowych skupia się w znacznej mierze na źródłach półprzewodnikowych, ze względu na potencjalną możliwość ich integracji z elementami elektronicznymi. Obecnie stosuje się różne wnęki rezonansowe, umożliwiające uzyskanie generacji promieniowania. Konwencjonalne lasery krawędziowe (rys. 8a) wykorzystują wnękę laserową typu Fabry-Pérot, gdzie zwierciadła tworzą krawędzie struktury. Promieniowanie wyprowadzane jest z rezonatora poprzez jedną z krawędzi lasera, która wykazuje własności częściowo odbijające i częściowo transmisyjne. Typowe wymiary takich struktur to kilka-kilkadziesiąt mikrometrów szerokości i kilkaset mikrometrów długości. Lasery VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser) emitujące promieniowanie powierzchniowo charakteryzują się wymiarami już zbliżonymi do długości generowanej fali (rys. 8b). Rys. 8. Cztery główne typy wnęk rezonansowych stosowanych w laserach półprzewodnikowych Mają one najczęściej strukturę warstwową, a jako zwierciadła stosuje się siatki Bragga - DBR. Dzięki temu uzyskuje się stosunkowo krótką wnękę optyczną oraz możliwość pracy jednomodowej. Udoskonalenie zwierciadeł DBR, od których uzyskiwane odbicia są bliskie 100%, umożliwia formowanie obszaru aktywnego z praktycznie pojedynczych studni kwantowych. Takie zwierciadła mogą być również wykonywane z jedno- bądź wielowymiarowych kryształów fotonicznych zapewniających efektywną kontrolę wiązki promieniowania. Inny typ wnęki prezentuje rys. 8c, gdzie stosuje się tzw. mikrodyski, w obrębie których promieniowanie krąży na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia od powierzchni granicznych ośrodka. Jednym z najmniejszych laserów są źródła tworzone z nanodrutów, gdzie krystaliczne powierzchnie krańców nanodrutów tworzą wnękę optyczną, zaś promieniowanie prowadzone jest w obrębie nanostruktury (rys. 8d).

Rys. 9. Schemat przekroju poprzecznego lasera. Laser wykonano na podłożu półprzewodnikowym z arsenku galu (GaAs)

Zastosowali oni tzw. hybrydy plazmoniczne oraz ograniczyli przestrzennie generowaną wiązkę świetlną, tak aby mogła ona być przetrzymywana przez długi czas w bardzo małym obszarze. Zaproponowana struktura składała się z nanodrutu umieszczonego na srebrnym podłożu. Nanodrut odseparowano od podłoża cienką warstwą izolującą z fluorku magnezu o grubości 5nm (rys. 6). W tym przypadku 10μm nanodrut z CdS pompowany jest drogą optyczną.

Następuje absorpcja fotonów przez warstwę półprzewodnikową, a następnie generacja par elektron-dziura. Część par elektron-dziura rekombinuje promieniście i obserwuje się emisję fotonów o większej długości fali niż długość fali pompującej. Część wyemitowanych fotonów przemieszcza się wzdłuż nanodrutu, odbijając się od jego końców, zupełnie jak w tradycyjnym laserze. Jednak większość z powstałych fotonów reaguje z powierzchnią metal-dielektryk i generuje oscylacje elektronu znane jako plazmony.

Typowo takie plazmony będą przemieszczały się na bardzo krótkich dystansach w obszarze metalu, zanim zostaną rozproszone. Poprzez umieszczenie warstwy dielektrycznej z fluorku magnezu pomiędzy obszarami półprzewodzącymi nanodrutu CdS oraz metalicznej warstwy srebra, można kierować plazmony do odpowiedniego ośrodka. Ponieważ dielektryki nie absorbują plazmonów, mogą one swobodnie poruszać się w ich obrębie.

Rys. 10. Schemat obwodu LC lasera.
J - prąd zmienny w rezonatorze,
B - indukcja pola magnetycznego,
E - pole elektryczne.
Obszar aktywny (Active gain medium) jest zasilany napięciem źródła VDC

Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez plazmony przenika do ośrodka nanodrutu i stymuluje emisję większej liczby fotonów o tej samej częstotliwości, tworząc tym samym charakterystyczny efekt lawinowy obserwowany w źródłach laserowych. Półprzewodnikowe nanodruty pełnią tu funkcję falowodów i transmitują światło. Jeden z końców nanodrutu charakteryzuje się większą przepuszczalnością (tworzy zwierciadło o większej transmisji), poprzez co plazmony wydobywające się ze struktury tworzą wiązkę promieniowania.

Plazmony, które są formowane na srebrnym podłożu, sprzęgają się z modami falowodów i generują promieniowanie w obrębie warstwy izolacyjnej. Pomimo, że warstwa izolacyjna ma wymiar tylko 5nm, czyli wielkość pojedynczej molekuły proteinowej, emitowana przez spaser długość fali to 489nm odpowiadająca barwie zielonkawoniebieskiej.

Podsumowanie

Nanostruktury emitujące promieniowanie w zakresie od nadfioletu do podczerwieni, które dodatkowo można będzie integrować z urządzeniami elektronicznymi, to jedno z najbardziej interesujących zagadnień badanych przez naukowców i jedno z najbardziej pożądanych rozwiązań z punktu widzenia najnowszych technologii i przemysłu komputerowego.

Naukowcy prześcigają się w tworzeniu coraz nowszych urządzeń w skali nano. Jednak większość z nich, na razie, nie nadaje się do wykorzystania, po części ze względu na wymagane warunki pracy (niskie temperatury) czy też niestabilność strukturalna proponowanych urządzeń, a co się z tym wiąże niezdolność do współpracy z urządzeniami elektrycznymi.

Katarzyna Ławniczuk