211service.com
Rumtemperatur mikrolasere
Forskere har skabt den mindste laser nogensinde, der er i stand til at fungere ved stuetemperatur. Enheden er mindre end en kubikmikron – mindre end bølgelængden af det lys, den udsender. Det er den første sub-bølgelængde laser, der ikke kræver kryogen afkøling.
Laser præcision: Kandidatstuderende Olesya Bondarenko inspicerer sputter-afsætningsværktøjet, der bruges til at påføre et lag aluminium på mikrolaserne med subbølgelængde.
Yeshaiahu Fainman , leder af Ultrafast and Nanoscale Optics Group ved University of California, San Diego, der ledede arbejdet, siger, at det burde være muligt at pakke mikrolaserne tæt sammen uden interferens mellem enhederne. Dette baner vejen for blandt andet hurtigere optiske kommunikationsenheder, der bruger sub-bølgelængde lasere i tætte arrays.
Forskerne modificerede det, der er kendt som en mikrodisklaser. I denne type laser pumpes en mikroskopisk skive indeholdende forskellige materialer optisk af en større laser. Dette stimulerer dens halvlederkerne til at udsende lys, som hopper rundt om diskens kanter, før den frigives. Tilføjelse af metal til denne disk kan forhindre laseren i at opføre sig på en måde, der ville forstyrre andre enheder i umiddelbar nærhed. Men dette reducerer laserens effektivitet, og indtil nu har den eneste måde at modvirke dette tab i ydeevne været at afkøle den kryogenisk til omkring 77 grader Kelvin (-196 grader Celsius) ved hjælp af flydende nitrogen, hvilket er langt fra praktisk.
Fainman fandt sammen med postdoc Maziar Nezhad og andre UCSD-kolleger en enklere måde at forbedre effektiviteten af deres laser på og fjerne behovet for køling. De tilføjede et lag silica, efterfulgt af et lag aluminium omkring et laserhulrum lavet af indiumgalliumarsenidphosphid. Det ydre metallag fungerer som et skjold, der isolerer laseren fra andre enheder og fungerer som en meget effektiv køleplade. Silicalaget forhindrer metallet i at reducere lasernes samlede effektivitet.
Aluminium blev valgt, fordi dets optiske egenskaber gør det meget reflekterende. Men nøglen til at få det til at fungere ligger i præcis at kontrollere tykkelsen af silicalaget, der adskiller metallet fra halvlederkernen, siger Fainman. Hvis laget er for tyndt, vil metalskjoldet interagere for stærkt med det optiske felt, hvilket resulterer i store tab.
Dette er meget spændende arbejde og introducerer vigtige fremskridt inden for det nye felt af nanolasere, siger Naomi Halas, Stanley C. Moore-professor i elektro- og computerteknik ved Rice University og direktør for universitetets laboratorium for nanofotonik. Brug af metalliske lag og smarte designgeometrier har givet denne gruppe mulighed for at begynde at bygge raffinementer ind i disse strukturer, der vil udvide, hvordan disse enheder bruges i kommunikationssystemer.
I et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturfotonik UCSD-gruppen viser, at dens laser kan producere emissioner med en bølgelængde på 1,43 mikron ved stuetemperatur. Gruppen har modtaget midler fra National Science Foundation samt DARPA's Nanoskalaarkitekturer for sammenhængende hyperoptiske kilder program.
I teorien kunne laserens effektivitet forbedres yderligere ved at bruge andre metaller, der har endnu mere gunstige optiske egenskaber, såsom sølv eller guld, siger Fainman.
En større udfordring er at finde en måde, hvorpå laserne kan integreres fuldt ud i optoelektroniske enheder, ved at erstatte den komplekse optiske pumpe med en elektrisk. Elektrisk pumpning ville være mere ønskeligt, fordi det er meget mere effektivt, siger Richard De La Rue , en optoelektronikprofessor ved University of Glasgow, i U.K.
Udover højhastighedskommunikation kan sub-bølgelængdelasere finde anvendelser inden for biomedicinsk billeddannelse og optisk nærfeltsmikroskopi, siger Fainman. I sidstnævnte tilfælde er der vanskeligheder ved mekanisk at scanne lasere på tværs af en overflade, siger han, så målet ville være at lave en række lyskilder, der ville blive scannet elektrisk i stedet for mekanisk.
Halas siger, at arbejdet også er videnskabeligt vigtigt. De udnytter et regime, hvor kavitetsdesignet kan ændre egenskaberne af forstærkningsmediet, hvilket faktisk introducerer en helt ny måde at tænke lasere på, siger hun.