211service.com
Rumstemperatur mikrolasrar
Forskare har skapat den minsta laser som någonsin kan fungera vid rumstemperatur. Enheten är mindre än en kubikmikron – mindre än våglängden på ljuset den avger. Det är den första sub-våglängdslasern som inte kräver kryogen kylning.
Laserprecision: Doktorand Olesya Bondarenko inspekterar sputterdeponeringsverktyget som används för att applicera ett lager av aluminium på mikrolasrarna med subvåglängd.
Yeshaiahu Fainman , chef för Ultrafast and Nanoscale Optics Group vid University of California, San Diego, som ledde arbetet, säger att det borde vara möjligt att packa mikrolasrarna nära varandra utan störningar mellan enheter. Detta banar väg för bland annat snabbare optiska kommunikationsenheter som använder sub-våglängdslasrar i täta arrayer.
Forskarna modifierade vad som kallas en mikrodisklaser. I denna typ av laser pumpas en mikroskopisk skiva som innehåller olika material optiskt av en större laser. Detta stimulerar dess halvledarkärna att avge ljus, som studsar runt skivans kanter innan det släpps. Att lägga till metall på denna skiva kan förhindra att lasern beter sig på ett sätt som skulle störa andra enheter i närheten. Men detta minskar laserns effektivitet, och hittills har det enda sättet att motverka denna prestandaförlust varit att kyla den kryogent till cirka 77 grader Kelvin (-196 grader Celsius) med flytande kväve, vilket är långt ifrån praktiskt.
Fainman, tillsammans med postdoc Maziar Nezhad och andra UCSD-kollegor, hittade ett enklare sätt att förbättra effektiviteten hos sin laser och att ta bort behovet av kylning. De lade till ett lager av kiseldioxid, följt av ett lager av aluminium runt en laserkavitet gjord av indiumgalliumarsenidfosfid. Det yttre metallskiktet fungerar som en sköld, isolerar lasern från andra enheter och fungerar som en mycket effektiv kylfläns. Kiselskiktet hindrar metallen från att minska lasrarnas totala effektivitet.
Aluminium valdes för att dess optiska egenskaper gör det mycket reflekterande. Men nyckeln till att få det att fungera ligger i att exakt kontrollera tjockleken på kiseldioxidskiktet som skiljer metallen från halvledarkärnan, säger Fainman. Om skiktet är för tunt kommer metallskärmen att interagera för starkt med det optiska fältet, vilket resulterar i höga förluster.
Det här är mycket spännande arbete och introducerar viktiga framsteg inom det nya området för nanolaser, säger Naomi Halas, Stanley C. Moore professor i elektro- och datorteknik vid Rice University, och chef för universitetets laboratorium för nanofotonik. Genom att använda sig av metalliska lager och smarta designgeometrier har denna grupp kunnat börja bygga förfiningar i dessa strukturer som kommer att utöka hur dessa enheter används i kommunikationssystem.
I en artikel publicerad i tidskriften Naturfotonik UCSD-gruppen visar att dess laser kan producera emissioner med en våglängd på 1,43 mikron vid rumstemperatur. Gruppen har fått finansiering från National Science Foundation såväl som DARPAs Nanoskala arkitekturer för koherenta hyperoptiska källor program.
I teorin skulle laserns effektivitet kunna förbättras ytterligare genom att använda andra metaller som har ännu gynnsammare optiska egenskaper, som silver eller guld, säger Fainman.
En större utmaning är att hitta ett sätt för lasrarna att integreras helt i optoelektroniska enheter, genom att ersätta den komplexa optiska pumpen med en elektrisk. Elektrisk pumpning skulle vara mer önskvärt, eftersom det är mycket effektivare, säger Richard De La Rue , en optoelektronikprofessor vid University of Glasgow, i Storbritannien.
Förutom höghastighetskommunikation kan lasrar med subvåglängd hitta tillämpningar inom biomedicinsk bildbehandling och optisk närfältsmikroskopi, säger Fainman. I det senare fallet finns det svårigheter med att mekaniskt skanna lasrar över en yta, säger han, så målet skulle vara att göra en uppsättning ljuskällor som skulle skannas elektriskt snarare än mekaniskt.
Halas säger att arbetet också är vetenskapligt viktigt. De utnyttjar en regim där kavitetsdesignen kan förändra egenskaperna hos förstärkningsmediet, vilket faktiskt introducerar ett helt nytt sätt att tänka på lasrar, säger hon.