Исследователи из Японии создали на основе фотонного кристалла первый в мире лазер с высокой выходной мощностью. Устройство, генерирующее луч света очень высокого качества, может в перспективе использоваться в таких сферах, как обработка материалов, зондирование, лазерная медицина и изготовление линз меньшего диаметра для различных компактных оптических систем.

Получение луча высокой мощности – обычно под высокой подразумевается мощность более 1 Вт – для полупроводниковых лазеров чаще всего означает увеличение их размеров. Однако при этом конструкторам приходится мириться с ухудшением качества формируемого луча. Так называемые поверхностно-излучающие лазеры, построенные на основе фотонных кристаллов, могли бы решить эту проблему, поскольку они дают когерентное излучение с большой площади, что дает возможность получить направленный поток света.

Рис. 1. Схематическое изображение созданного лазера на основе фотонного кристалла.

Фотонные кристаллы представляют собой наноструктурированные материалы, в которых периодическое изменение показателя преломления в масштабах длины волны видимого света создает так называемые «запрещенные зоны» для фотонов.

Эти зоны влияют на распространение фотонов видимого света в материале (эффект похож на то, каким образом периодический потенциал в полупроводниках влияет на поток электронов, определяя разрешенные и запрещенные энергетические зоны). Фотонные кристаллы могут использоваться в источниках света, построенных на одном кристалле, поскольку диаграммой направленности их излучения, а также его направлением распространения луча можно легко управлять. До сих пор, однако, никто не создавал достаточно мощных лазеров на основе фотонных кристаллов.

Группа ученых из Kyoto University (Япония) разработала первую в мире конструкцию подобного устройства. Их лазер производит почти идеальный луч мощностью до 0,5 Вт при комнатной температуре, что является своего рода рекордом для данного типа источников излучения. Усовершенствований удалось добиться, благодаря структуре использованного фотонного кристалла, выступающего в роли лазерного резонатора.

За счет дифракции от двумерного фотонного кристалла, расположенного внутри устройства, ученым удалось получить в 1000 раз более мощное излучение по сравнению с использованием обычных для поверхностно-излучающих лазеров вертикальных резонаторов.

Использованный в работе ученых двумерный фотонный кристалл представляет собой квадратную решетку, в каждой точке которой размещается отверстие, по форме напоминающее равнобедренный треугольник. Двумерный кристалл имеет размеры порядка 400 мкм по каждому из измерений, в то время как постоянная решетки (период изменения рисунка по обоим направлениям) – около 287 нм.

Сами ученые отмечают, что

качество луча созданного лазера чрезвычайно высоко. Несмотря на то, что в конструкции устройства не предусмотрено объектива, оно позволяет прожечь в листе бумаги небольшое отверстие. Высокой мощности удалось добиться, благодаря примененной технике производства фотонного кристалла. Использовавшиеся до сих пор методики порождали большое количество дефектов на поверхности фотонного кристалла, которые поглощали часть излучения. Вторым фактором была особая форма треугольных отверстий, не имеющих той симметрии, которая обычно вызывает снижение мощности выходного излучения.

В перспективе разработка может использоваться в любых сферах, где до сих пор развитие было затруднено из-за ограничений, связанных с низким качеством лазерного луча. К примеру, в обработке материалов, лазерной медицине, нелинейной оптике и зондировании поверхностей.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Nature Photonics.