Ученые из России, ОАЭ и Китая нашли способ удешевить лазерные системы

Группа ученых из Российского квантового центра, Исследовательского центра направленной энергии в Абу-Даби, а также Международной квантовой академии в Шэньчжэнь и Сучжоуского института нанотехнологий и нанобионики проанализировала современные подходы к стабилизации и затягиванию диодных лазеров, необходимые для разработки высокопроизводительных полупроводниковых лазеров с меньшей стоимостью и форм-фактором.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Современные полупроводниковые лазеры повсеместно используются в медицине, физике, промышленности и множестве других областей как отдельные элементы, а также в составе различных установок. Такие системы массово производятся и обладают высокой мощностью. Однако они имеют существенный недостаток: неизбежное колебание частоты приводит к тому, что лазерный луч не всегда стабилен, что существенно ограничивает их эффективность. На протяжении последних десятилетий мировое научно-технологическое сообщество разрабатывает подходы, которые могли бы нивелировать этот эффект, но зачастую они являются разрозненными и не способствуют достижению междисциплинарной синергии.

В этом исследовании совместная команда проанализировала современные теоретические и экспериментальные подходы к стабилизации частоты лазера при помощи эффекта затягивания диодного лазера на моды высокодобротного микрорезонатора. Эффект затягивания представляет собой процесс, при котором шум лазерного излучения подавляется, а ширина линии излучения сужается — лазер становится более стабильным.

Классический полупроводниковый лазер получает ширину линии излучения и уровень шумов, сопоставимые со значительно более дорогостоящими волоконными лазерами. Подход открывает перспективы снижения себестоимости полупроводниковых лазерных систем в десятки раз. Наряду с этим исследователи видят возможность на порядки сократить размеры конечных устройств.

Дмитрий Чермошенцев, старший научный сотрудник Российского квантового центра, младший научный сотрудник Сколтеха:

— Как устроены современные полупроводниковые лазеры?

— В полупроводниковых лазерах в качестве рабочего вещества используется полупроводник — материал, в котором есть разрешенные энергетические зоны. Они же, в свою очередь, разделены запрещенными энергетическими зонами. То есть энергия носителей, например электронов, может принимать значения только из этих разрешенных зон. Когда электрон переходит из зоны проводимости в зону валентности, преодолевая запрещенную зону между ними, он теряет энергию в виде излучения фотонов. Фотоны — носители света — и формируют лазерное излучение.

— Как они используются в медицине, физике и промышленности?

— Лазеры — одни из наиболее популярных и важных устройств, придуманных человечеством. Сегодня они используются практически везде: от смартфонов до авиапромышленности. В медицине, например, при помощи лазерного излучения корректируют сетчатку или хрусталик глаза, удаляют опухоли. В физике лазеры являются основой для научных исследований и разработок. Мы используем их для генерации квантовых состояний света, операций с кубитами, в спектроскопии.

В промышленности ими режут металл и полируют поверхности. Также без лазеров были бы невозможны лидары, а вместе с ними беспилотные автомобили и Face ID. Когда-то давно люди использовали компакт-диски — они тоже работали на основе излучения лазеров. По сути каждая вещь вокруг нас так или иначе связана с лазерами.

— Как проходило исследование Российского квантового центра? Как было устроено взаимодействие с иностранными коллегами?

— Данное исследование представляет собой обзор существующих теоретических работ и экспериментальных подходов за последние годы в области затягивания диодных лазеров на кристаллические и интегральные микрорезонаторы. Российский квантовый центр, а именно научная группа «Когерентная микрооптика и радиофотоника», внес большой вклад в изучение интегральных и кристаллических микрорезонаторов и в описание и исследование эффекта затягивания. Зарубежные коллеги последние несколько лет также активно исследовали эту область и на основании накопленного опыта подготовили часть обзора.

— Что оно показало?

— Ревью было написано для того, чтобы проанализировать существующие методы и понять, в чем заключается ценность эффекта затягивания, почему спустя шесть лет активных исследований интерес мирового сообщества все еще сохраняется. Причем исследуют вопрос самые разные научные группы. Те выводы, к которым мы пришли, позволят разрабатывать устройства гораздо компактнее и стабильнее существующих коммерчески доступных аналогов. Это открывает пути их использования для более точных измерений и решения более сложных индустриальных задач.

— Расскажите подробнее, что такое эффект затягивания диодного лазера на моды высокодобротного микрорезонатора.

— Если светить нестабилизируемым шумным диодным лазером на чип, в котором находится интегральный микрорезонатор, или на поверхность кристаллического микрорезонатора через, например, призму, то окажется возможным возбудить собственные частоты микрорезонатора за счет его высокой добротности. Конечно, при условии, что частоты излучения близки к собственным частотам микрорезонатора.

Однако существует нюанс: внутри микрорезонатора неизбежно присутствуют дефекты, на которых происходит рэлеевское рассеяние. За счет него возникает обратная волна, направленная в противоположную сторону, то есть в лазер. Обратная волна обладает спектральными характеристиками высокодобротного кольцевого микрорезонатора, которые в разы лучше характеристик исходного излучения лазерного диода. Попадая в лазерный диод, обратная волна навязывает свои спектральные характеристики, делая лазер стабильным, узкополосным и с низкими фазовыми шумами.

— Какие перспективы открывает ваше исследование?

— Исследование открывает перспективы создания дешевых, компактных и стабильных лазеров, а также их дальнейшего применения во всех областях, в том числе в квантовых технологиях для разработки компактных вычислительных устройств по типу когерентной машины Изинга.

Использованы материалы статьи.

Подготовила Мария Грибова