Российские ученые определили, в каких условиях излучение нанолазеров становится по-настоящему лазерным. До этого для таких источников излучения невозможно было отличить режимы работы. Исследование поможет рассчитать и затем изготовить лазеры размером с бактерию. Работа опубликована в журнале Optics Express.

Сегодня лазеры используются повсеместно — от бытовых приборов до медицины и телекоммуникации. Несколько лет назад был создан новый тип лазеров — нанолазеры. По своему устройству они похожи на обычные полупроводниковые источники излучения, которые известны довольно давно. Отличие состоит в том, что резонатор нанолазеров имеет рекордно маленькие размеры — порядка длины волны света, который излучает устройство. Поскольку такие структуры преимущественно создают излучение в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, их размеры составляют около 1 микрометра.

Уже в ближайшем будущем эти устройства станут частью интегральных оптических схем, которые позволят на порядки ускорить производительность процессоров и видеокарт при замене части металлических межсоединений на оптические. Кроме того, это должно привести к уменьшению энергопотребления компьютеров аналогично тому, как замена проводных линий передачи данных на оптоволоконные позволила ускорить Интернет и повысить энергоэффективность.

Чтобы некоторый источник излучения можно было назвать лазером, необходимо, чтобы он соответствовал ряду требований, основным из которых является когерентность — одинаковость частоты и разности фаз излучения во времени.

С когерентностью связано другое ключевое свойство лазеров — наличие порога генерации. При токах накачки ниже порогового значения излучение лазера в основном спонтанное, а его свойства ничем не отличаются от излучения светодиодов. По достижении порогового тока, свойства излучения меняются, оно становится когерентным. У обычных лазеров при этом спектр излучения становится узким и резко возрастает выходная мощность.

Многие нанолазеры ведут себя точно так же, как и обычные макроскопические: у них существует пороговый ток. Однако существуют и нанолазеры, у которых невозможно найти порог генерации. Такие нанолазеры назвали «беспороговыми». Возникает проблема: как определить, когда излучение становится лазерным, то есть когерентным?

Российские ученые разработали метод определения степени когерентности излучения нанолазера по его основным параметрам. Это позволяет избежать технически сложных измерений. Они установили, что даже «беспороговый» нанолазер имеет вполне определенный пороговый ток, выше которого излучение становится когерентным. Более того, эту величину можно найти у любого нанолазера, причем он никак не связан ни с особенностями выходной характеристики, ни с уменьшением ширины спектра излучения нанолазера.

«Широкий круг физиков считает, что полупроводниковый нанолазер — это обыкновенный лазер, только маленького размера. Однако, изучая когерентность таких нанолазеровов, мы выяснили, что эти устройства на фундаментальном уровне имеют очень мало общего с обычными, макроскопическими лазерами», — отмечает Андрей Вишневый, старший научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ.

Результаты работы позволят заранее предсказать, когда излучение нанолазера любой конструкции становится когерентным. Это поможет разработать и использовать практичные наноразмерные источники когерентного излучения.