Учёные в 10 000 раз уменьшили размеры перспективных лазеров

Учёные из Стэнфордского университета создали первый в мире практичный титаново-сапфировый лазер в масштабе микросхемы. Современные Ti:sapphire-лазеры в 10 000 раз больше и в 1000 раз дороже, тогда как стоимость производства крошечных лазеров на чипе будет условно копеечная. Такие лазеры подтолкнут развитие квантовых наук, помогут в офтальмологии, нейробиологии и много где ещё, где необходим источник интенсивного света.

Миниатюрный лазер опирается на титаново-сапфировый кубик на фоне 25-центовой монеты. Источник изображения: Nature

Титаново-сапфировые лазеры ценны тем, что они могут перестраиваться в относительно широком спектре когерентного излучения. Для науки и промышленности — это важнейшее качество, имя которому универсальность. Только сегодня подобные установки редкость даже в лабораториях, не говоря о промышленности. Они могут быть размером со средний рабочий стол, не говоря о вспомогательном оборудовании, например, лазерах для накачки, которые тоже стоят немалых денег. В конечном итоге стоимость одного такого лазерного комплекса может достигать полумиллиона долларов США.

Исследователи из Стэнфорда разработали технику создания титаново-сапфировых лазеров микрометрового масштаба. Сначала они нанесли на слой настоящего сапфирового стекла подложку из диоксида кремния (SiO₂), а затем создали поверх подложки объёмное титаново-сапфировое покрытие. Верхний слой травится и шлифуется до толщины в несколько сотен нанометров. На подложке остаётся волновод, как на показанном ниже снимке. Этот волновод работает как усилитель лазерного излучения.

Но самым ценным в разработке стал механизм перестройки лазера. Делается это с помощью дозированного нагрева волновода. В случае экспериментального лазера частоту его работы учёные смогли менять в пределах длин волн от красного до инфракрасного: от 700 до 1000 нм. Уменьшение размеров лазера также увеличило его интенсивность и энергоэффективность. Лазером накачки для такой платформы может быть очень маломощный источник.

«Это полный отход от старой модели, — поясняют учёные. — Вместо одного большого и дорогого лазера в любой лаборатории вскоре могут появиться сотни таких ценных лазеров на одном чипе. И всё это можно подпитывать зеленой лазерной указкой».