Американские ученые создали источник лазерного излучения, размеры которого в несколько раз меньше длины волны излучаемого им света. Разработка ляжет в основу нового класса устройств – от оптических микроскопов высокого разрешения до фотонных персональных компьютеров, считают авторы исследования, опубликованного в журнале Nature.

Размер излучающего тела в новом лазере составляет 44 нанометра. Это позволит встраивать его в наноразмерные оптические схемы, управляющее поведением световых волн подобно тому, как современные микропроцессоры и микросхемы управляют электронами. Развитие этой молодой области науки и технологий, называемой фотоникой, позволит сделать компьютеры и другие электронные устройства намного более экономичными и эффективными.

Кроме того, благодаря тому, что нанофотонные устройства позволяют манипулировать светом на уровне отдельных фотонов, фотоника обещает подарить миру массу новых технологий и устройств. Одним из них является новое поколение оптических микроскопов, позволяющих изучать в видимом свете даже отдельные биологические молекулы. Современным оптическим микроскопам, использующим в своей работе линзы, такая задача не под силу из-за явления дифракции (огибания) предметов, размер которых составляет менее половины длины его волны.

Манипулирование квантами света в фотонных устройствах происходит с помощью не линз и зеркал, а наноразмерных объектов, таких, как фотонные кристаллы и нанолазеры. Фотонные кристаллы – это твердые тела, имеющие структуру наподобие обычной кристаллической решетки большинства твердых тел, однако в узлах этой решетки находятся не отдельные атомы, а наночастицы, состоящие из десятков и сотен атомов. Такая структура создает в фотонном кристалле периодические изменения коэффициента преломления, так что волны света определенной длины свободно в нем распространяются, тогда как другие фотоны распространяться в фотонном кристалле не могут и потому отражаются.

Изучением и созданием наноразмерных оптических схем с использованием фотонных кристаллов ученые занимаются уже довольно давно, используя в своих экспериментах обычные лазеры. Однако в готовых нанофотонных устройствах в качестве источника света не могут применяться даже самые малогабаритные из существующих лазеров – полупроводниковые. Для того, чтобы вызвать лазерное излучение, в таких лазерах используется возбуждающее освещение, заставляющее рабочее тело лазера – полупроводниковый кристалл – переходить в возбужденное состояние и излучать свет. Из-за дифракционного предела размер рабочего тела такого лазера не может быть меньше половины длины волны возбуждающего света.

В новом нанолазере, созданном под руководством Михаила Ногинова (Mikhail Noginov) из Университета Норфолка в США, для возбуждения лазерного излучения вместо световых волн используются так называемые поверхностные плазмоны. Сам лазер представляет собой сферическую наночастицу золота, которая покрыта стеклоподобной оболочкой, заполненной красителем. Освещение таких наночастиц видимым светом приводит к возбуждению на поверхности золотых наночастиц так называемых поверхностных плазмонов – коллективных колебаний электронов, которые в дальнейшем могут затухнуть, передав энергию своих колебаний кристаллической решетке золота, или резко изменить собственную энергию колебаний, что сопровождается испусканием фотонов света – лазерного излучения.

При размере в 44 нанометра каждый созданный учеными сферический источник лазерного излучения испускает свет с длиной волны 530 нанометров, что соответствует зеленому свету.

Из-за того, что вместо света (light) в новом устройстве для возбуждения излучения используются поверхностные плазмоны (surface plasmon), новый тип источников света получил название «спазер» (spaser).

Нам удалось показать возможность создания наноразмерного источника лазерного излучения – критического компонента всех устройств на базе нанофотонных оптических схем – благодаря которому нанофотоника очень скоро может выйти за рамки лабораторных экспериментов и начать применяться в практических устройствах", – сообщил соавтор публикации Владимир Шалаев (Vladimir Shalaev), профессор Университета Пэрдью в США, слова которого приводит пресс-служба университета.