Ученые разрабатывают первый жидкостный нанолазер

Ученые Северо-Западного университета разработали первый жидкостный нанолазер. Настраиваемый в режиме реального времени он может быстро и просто генерировать различные цвета, что является уникальной и полезной функцией. Лазерная технология может привести к практическим приложениям, таким как новая форма «лаборатории на чипе» для медицинской диагностики.

Чтобы понять эту концепцию, представьте себе лазерную указку, цвет излучения которой может быть изменен путем простой замены жидкости внутри нее. Кроме изменения цвета в реальном времени, жидкостный нанолазер имеет дополнительные преимущества по сравнению с другими нанолазерами: он прост и недорог в изготовлении и работает при комнатной температуре.

Наноразмерные лазеры – впервые продемонстрированные в 2009 г. – сегодня встречаются только в научно-исследовательских лабораториях. Они, однако, представляют большой интерес для передовых технологий и для военных применений.

«Наше исследование позволяет нам думать о новых конструкциях лазеров и о том, что было бы возможным, если бы они могли быть сделаны, - сказал проф. Тери Одом (Teri W. Odom), который возглавлял исследование. – Моя лаборатория любит исследовать новые материалы, новые структуры и новые способы сочетать их, чтобы достичь того, что еще не представимо».

Жидкостный нанолазер в данном исследовании – не лазерная указка, а лазерное устройство на чипе, объяснил проф. Одом. Цвет лазера может быть изменен в режиме реального времени, когда изменяется жидкий краситель в микроканале выше резонатора лазера.

Резонатор лазера состоит из массива отражающих наночастиц золота, где свет концентрируется вокруг каждой наночастицы, а затем усиливается. В отличие от обычных лазерных резонаторов, здесь не требуются зеркала для многократного отражения света. Примечательно, что при настройке цвета лазера, наночастицы в резонаторе остаются фиксированными, меняется только жидкость вокруг наночастиц.

Основные преимущества очень малых лазеров заключаются в том, что они могут быть использованы в качестве источников света на-чипе для оптоэлектронных интегральных схем, для оптической записи информации и литографии. Кроме этого, они могут надежно работать на одной длине волны и способны работать гораздо быстрее, чем обычные лазеры, поскольку они сделаны из металла.

Плазмонные лазеры являются многообещающими наноразмерными источниками когерентных оптических полей, потому что при сверхмалых размерах они показывают сверхбыструю динамику. Несмотря на то что плазмонные лазеры были продемонстрированы для различных спектральных диапазонов, от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области, системный подход к манипулированию длиной волны лазерного излучения в режиме реального времени осуществить не удавалось.

Основным ограничением является то, что в предыдущей работе по плазмонным нанолазерам использовались только твердые материалы. Следовательно, генерировались только фиксированные длины волн, так как твердые материалы не могут быть легко изменены. Исследовательская группа проф. Одома нашла способ интеграции жидких материалов усиления с массивом золотых наночастиц для получения наноразмерного плазмонного лазера, который может динамично и обратимо настраиваться в режиме реального времени.

Использование жидких материалов усиления имеет два существенных преимущества. Первое, молекулы органических красителей могут легко растворяться с разными показателями преломления. Таким образом, диэлектрическая среда вокруг массива наночастиц может настраиваться, что также позволяет настраивать длину волны генерации. Второе, жидкая форма материалов усиления позволяет манипулировать жидкостью в микроканале. Таким образом, динамическая настройка генерированного излучения осуществляется просто текущей жидкостью с разными показателями преломления. Кроме того, в качестве дополнительного преимущества жидкой среды устройства лазер-на-чипе могут показывать долговременную стабильность, так как усиливающие молекулы могут постоянно обновляется.

Эти наноразмерные лазеры могут массово производиться с длиной волны излучения по всей полосе усиления красителя. Таким образом, тот же нанорезонатор с фиксированной структурой (тот же массив наночастиц золота) может генерировать длин волн, которые могут регулироваться с шагом 50 нанометров, от 860 до 910 нанометров, просто путем изменения растворителя, в котором растворен краситель.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365