Графен как материал для сверхбыстрых лазеров

Исследователи из Кембриджского университета (Великобритания) и Национального центра научных исследований (CNRS, Франция) изготовили сверхбыстрый графеновый лазер с синхронизацией мод. Результат, который несколько неожиданно явился следствием отсутствия у графена запрещенной зоны, открывает путь к оптическим устройствам, базирующимся на этом материале.

Сегодня доминирующая технология при изготовлении так называемых лазеров с синхронизацией мод (т.е. лазеров, которые генерируют сверхкороткие импульсы с очень высокой частотой повторения) базируется на зеркалах из насыщающегося поглотителя (SESAM). Однако такие устройства являются сложными и дорогими и крайне ограниченными по ширине полосы спектра.

Новый сверхбыстрый лазер использует графен и слои графена для синхронизации мод. «В принципе это несколько удивительный результат, потому что графен не имеет запрещенной зоны, которая является ключевым требованием для синхронизации мод в SESAM», - говорит руководитель разработки Андреа Феррари (Andrea Ferrari).

Команда изучила, как свет поглощается в графене и как возбужденные им носители зарядов ведут себя в материале. В частности, они подчеркнули ключевую роль принципа Паули для насыщения поглощаемого света. Вследствие этого принципа накачка электронов в возбужденное состояние происходит быстрее, чем их релаксация. Это происходит потому, что в каждом состоянии может находиться только один электрон.

Так как дираковские электроны в графене имеют линейную дисперсию, то полоса спектра насыщающегося поглотителя намного превосходит таковую для любого другого известного материала.

Сначала исследователи изготовили графено-полимерный композит, полученный из раствора графена. Затем они поместили этот композит между двумя оптическими волокнами в лазерном резонаторе.

«Графен является идеальным широкополосным насыщающимся поглотителем, способным оперировать в диапазоне от ультрафиолетовых волн до видимого и инфракрасного света, - сказал Феррари. – Наш сверхбыстрый лазер, который использует широкополосную оптическую нелинейность графена, не нуждается в наличии запрещенной зоны, расширяет практическое применение этого новаторского материала от наноэлектроники до оптоэлектроники и интегральной фотоники».