Поиск низкопороговых и дешевых лазеров — одна из важнейших задач современной фотоники. Большинство современных лазеров состоят из накачки, активной среды и резонатора. Чтобы добиться генерации лазерного излучения, активной среде лазера при помощи накачки сообщают энергию, которая нужна для достижения инверсии населенностей. Так называют состояние, при котором возбужденных электронов и дырок (положительно заряженных частиц) больше, чем невозбужденных. Когда электроны и дырки возбуждены — иными словами оторваны от атома (например, это происходит, когда им сообщают энергию), то они могут свободно перемещаться по объему полупроводника. А когда электрон «возвращается» на свое место, то энергия высвобождается в виде фотона — частицы света. В резонаторе этот процесс происходит массово, что и вызывает генерацию лазерного излучения. Однако для этого нужно возбудить много электронов и дырок, что требует большого количества энергии.

Чтобы снизить потребность в энергии, которая нужна для работы лазера, ученые стараются уйти от необходимости инверсии населенности. Один из перспективных способов достичь этого — использовать гибридные квазичастицы экситон-поляритоны. Такие частицы объединяют в себе свойства света и вещества, что позволяет получать сверхбыстрые нелинейные оптические эффекты. Кроме того, эффективная масса поляритонов на несколько порядков меньше, чем, например, масса электрона, поэтому такой способ позволяет достичь экситон-поляритонной конденсации Бозе-Эйнштейна.

Это состояние проявляется в виде низкогопорогового лазерного излучения. Для исследователей оно интересно тем, что не требует инверсии населенности и снижает необходимую энергию для работы лазера. Также при таком конденсированном состоянии можно наблюдать разные феномены с точки зрения фундаментальной физики — например, возбужденное состояния Боголюбова. Оно было предсказано только теоретически, но экспериментально для поляритонов пока не наблюдалось.

Недавно ученым удалось воссоздать похожее состояние в поляритонной решетке на основе квантовой ямы GaAs — однако проблема в том, что этот материал имеет низкую энергию связи экситона. Это ограничивает работу всей системы до температуры –267°C, при которых экситон (а значит, и экситон-поляритон) может существовать, а следовательно, и генерироваться лазерное излучение.

Прочитайте также:

Ученые ИТМО предложили простой и дешевый способ для управления оптическими сигналами. В его основе — галогенидные перовскиты

Что придумали в ИТМО

Ученые ИТМО создали новый подход к генерации поляритонного лазерного излучения, который позволит использовать поляритонные системы в реальных коммерческих устройствах. Для этого исследователи создали перовскитную метаповерхность, у которой в нелинейном режиме под действием оптической накачки появляются так называемые исключительные точки. Это явление создает выгодные условия для поляритонной конденсации, которая необходима для работы лазера.

Преимущество такого подхода в том, что вся система состоит из дешевых перовскитов и не требует дорогостоящих методов синтеза. Обычно поляритонную конденсацию наблюдают в вертикальных брэгговских резонаторах на основе многослойных систем, требующих высокой точности при изготовлении. Но благодаря перовскитам, которые ученые использовали в своей работе, для достижения этого эффекта хватило одной тонкой решетки. Такая решетка компактная и дешевая, а метод ее создания — наноимпринтную литографию — легко масштабировать в будущем. Кроме того, конденсированные поляритоны в такой решетке обладают сильными нелинейными оптическими свойствами, что позволяет управлять лазерным излучением и его спектром при помощи света.

Как проходил эксперимент

Ученые синтезировали перовскитную тонкую пленку, затем методом наноимпринтной литографии с использованием Blu-ray диска в качестве штампа создали метаповерхность в виде решетчатой структуры из перовскита. Толщина готовой поверхности составила 75 нм — это минимальное значение, которого удавалось достичь при создании поляритонных лазеров.

Ученые исследовали полученный образец с помощью спектроскопии с угловым разрешением: смотрели, как свет под действием внешнего импульсного излучения выходит из образца, на какой длине волны и под каким углом. Образец с исключительными точками сравнивали с похожим образцом другой толщины (на 10 нм меньше основного образца). Такое изменение толщины оказалось критичным для появления исключительных точек в нелинейном режиме, которое вызывает поляритонную конденсацию.

Результаты и перспективы

Авторы обнаружили, что полученное поляритонное излучение имеет очень высокую направленность с расхождением меньше одного градуса — раньше такого значения не удавалось достичь для поляритонных планарных лазеров. Такая характеристика позволяет эффективно передавать энергию и информацию с помощью лазеров, а также использовать их для задач спектроскопии, воздействия на живые ткани для их диагностики, лазерных дисплеев и для других применений.

«Благодаря галогенидным перовскитам и специальному дизайну метаповерхности мы реализовали экситон-поляритонную систему, которая может поддерживать безинверсионное поляритонное лазерное излучение. Такое излучение можно получить при комнатной температуре, а еще оно не требует использования резонатора — это удешевляет производство нанолазеров и снижает потребляемую ими энергию. Результаты нашей работы не только проливают свет на новый подход к реализации лазерного излучения, но и открывают путь к созданию дешевых перовскитных нано- и микролазеров с электрической накачкой», — рассказал один из авторов исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Михаил Машарин.

В будущем ученые планируют реализовать подобный дизайн в монокристаллических пленках, что позволит снизить порог для лазерной генерации, а впоследствии произвести электрическую накачку лазера. 

Исследование проведено при поддержке мегагранта «Нанолазеры и микролазеры на основе новых наноматериалов и современных оптических архитектур» и программы Минобрнауки РФ «Приоритет-2030»

Статья: Mikhail Masharin, Anton Samusev, Andrey Bogdanov, Ivan Iorsh, Hilmi Demir, Sergey Makarov (Advanced Functional Materials, 2023)