Błękitny laser z polskiego laboratorium

Polscy fizycy uruchomili w temperaturze pokojowej błękitny laser, oparty na niemal doskonałej pułapce dla światła. Nanosiatka z azotku galu zatrzymuje falę dostatecznie długo, by ją wzmocnić, ale niewielkiej części pozwala wydostać się jako bardzo wąska, spolaryzowana wiązka.

Laser musi pogodzić dwa pozornie sprzeczne wymagania

Światło powinno jak najdłużej pozostawać wewnątrz urządzenia, aby przy każdym przejściu przez materiał aktywny pobudzać powstawanie kolejnych fotonów, zwiększając energię. Ostatecznie musi jednak znaleźć wyjście i utworzyć użyteczną wiązkę. Trzeba więc zbudować pułapkę, która będzie bardzo szczelna, ale nie całkowicie zamknięta. 

W dużych laserach rolę takiej pułapki pełnią zwykle dwa zwierciadła. Miniaturyzacja komplikuje jednak sprawę: im mniejszy rezonator, tym łatwiej światło ucieka na boki albo wnika w podłoże.

Paradoksalne rozwiązanie  

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i współpracujących ośrodków wykorzystali rozwiązanie, które na pierwszy rzut oka wydaje się jeszcze bardziej paradoksalne – tak zwany stan związany w kontinuum, czyli BIC. Fala znajdująca się w takim stanie ma energię pozwalającą jej wydostać się do otoczenia, ale mimo to pozostaje uwięziona za pomocą siatki dyfrakcyjnej. Układ przypomina pomieszczenie z otwartymi wyjściami, przy których fale zawsze spotykają się w taki sposób, że wzajemnie się wygaszają. To tak jakby zawsze dwie osoby chciały wyjść na raz, ale wspólnie nie mieściły się w drzwiach. Droga ucieczki istnieje, lecz światło nie potrafi z niej skorzystać.

Idealny BIC nie mógłby jednak służyć jako laser: skoro światło nie wydostaje się z pułapki, nie może utworzyć wiązki laserowej. W rzeczywistym urządzeniu siatka ma skończone rozmiary i nie jest matematycznie doskonała. Stan zmienia się wtedy w quasi-BIC. Światło nadal pozostaje uwięzione bardzo długo, ale niewielka jego część może się wydostać. Niedoskonałość staje się zatem potrzebnym, kontrolowanym elementem lasera. 

Badacze wycięli nanometrowe rowki w warstwie azotku galu

Pod nimi umieścili dwie cienkie studnie kwantowe z azotku indowo-galowego. To właśnie one są materiałem aktywnym: po oświetleniu krótkimi impulsami nadfioletu wytwarzają fotony niebieskiego światła. W temperaturze pokojowej urządzenie emitowało bardzo czyste pod względem barwy, błękitne światło o długości fali około 445 nanometrów. Siatka nadawała wiązce również wyraźny kierunek polaryzacji: emisja o jednym ustawieniu pola elektrycznego była 52 razy silniejsza niż o ustawieniu prostopadłym. Zmieniając okres siatki i szerokość jej rowków, naukowcy przestrajali laser w zakresie od 440 do 460 nanometrów. O barwie światła nie decydował więc wyłącznie skład półprzewodnika, lecz także niezwykle precyzyjna geometria układu. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nano Letters”. Badania prowadzili naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Instytutu Wysokich Ciśnień PAN, Instytutu Fizyki PAN, Politechniki Warszawskiej i Politechniki Łódzkiej.

Badacze pokazali, że w jednej zwartej strukturze można połączyć materiał wytwarzający światło, pułapkę zapewniającą możliwość zajścia akcji laserowej oraz precyzyjnie dobraną drogę wyjścia wiązki. Zmiana kilku wymiarów nanosiatki pozwala wybierać długość fali i polaryzację emisji. Paradoksalna pułapka BIC przestaje więc być tylko niezwykłym zjawiskiem fizycznym, a staje się narzędziem do budowy niewielkich, przestrajalnych laserów.

PAP/NZ