Инженеры из Тайваня, США и Китая испытали простой в изготовлении плазмонный нанолазер (кратко об этом изобретении мы уже писали).

Постепенно уменьшая размеры обычных полупроводниковых лазеров с диэлектрическими оптическими резонаторами, учёные дошли до фундаментального дифракционного предела ~(λ/2n)3, где n — показатель преломления. Преодолеть это ограничение позволяют лазеры, использующие явление возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов — электромагнитных волн, которые возникают на границе раздела между диэлектриком и металлом.

Скорость плазмонных волн заметно уступает скорости света, вследствие чего уменьшается (по сравнению с электромагнитным излучением той же частоты) и длина волны.

За счёт этого колебания на оптической частоте «умещаются» в миниатюрном субдифракционном плазмонном резонаторе.

Лучшим из всех материалов, подходящих для создания плазмонных резонаторов в оптической и ближней инфракрасной областях, считается серебро. Реализовать его потенциал мешало то, что экспериментаторы работали с зернистыми поликристаллическими серебряными плёнками. Шероховатость поверхности и присутствие межзёренных границ приводили к рассеянию поверхностных плазмон-поляритонов, что делало порог лазерной генерации неоправданно высоким.

Рис. 1. Схема устройства (иллюстрация из журнала Science).

Авторы разработки постарались исправить этот недостаток, синтезировав серебряную плёнку по относительно несложной двухэтапной методике. На первом этапе осаждения температуру поддерживали на уровне 90 К, и серебро образовывало нанокластеры, которые затем «сглаживались» во время отжига в комнатных условиях. Итоговый образец, как показали исследования, имел атомарно ровную поверхность.

Вторым элементом конструкции лазера стал наностержень из нитрида галлия GaN длиной в 480 нм, часть внутреннего объёма которого была заполнена нитридом индия-галлия InGaN, сыгравшим роль активной среды. Стержень имел чётко очерченные грани, и между ним и плёнкой создавался резонатор с малыми потерями.

Рис. 2. Вид излучения плазмонного лазера при разных температурах (иллюстрация из журнала Science).

Во время испытаний лазер продемонстрировал возможность работы в непрерывном режиме с низким порогом генерации (100 нВт для одного стержня при температуре в 78 К). Регистрируя параметры выходного излучения при накачке на длине волны в 405 нм, учёные отметили два пика лазерной генерации на 510 и 522 нм. В аналогичном эксперименте со стержнем из InGaN-GaN и поликристаллической серебряной плёнкой генерация не фиксировалась даже после снижения температуры до 8 К, что подчёркивает важность выравнивания поверхностей.

Подобные плазмонные устройства, как рассчитывают инженеры, позволят сгладить разницу в размерах между электронными и фотонными компонентами. Другими словами, новый лазер, полное описание которого опубликовано в последнем номере журнала Science, рассматривается как элемент будущих оптических интегральных микросхем.