Нанолазер из кремния

 

Ученые смогли синтезировать кусочек наноструктурированного кремния, излучающего некоторое время лазерные лучи. В качестве основы лазера был взят полупроводниковый слой кремния, который расположили на изоляторе. Затем, наложив на него маску, представляющую собой матрицу нанопор, ионным травлением ученые получили "дырявую" кремниевую пластину с количеством пор около миллиарда. Диаметр пор составлял около 60 нанометров. Далее, пластина была помещена в криостат, где ее охладили до 10 K и накачали зеленым светом мощностью 1.5 Вт от ионного аргонового лазера. Увеличив мощность лазера накачки, ученые обнаружили следы лазерного излучения, исходящего от
пластины света с длиной волны 1278 нм.

 

Рис. 2.4. Наноструктурированная кремниевая пластина

 

По одной из теорий, выдвинутой исследователями, пластина излучает благодаря А-дефектам, расположенных на ней. Эти дефекты находятся на низком энергетическом уровне, и, благодаря этому, происходит рекомбинация электронов и свободных дырок с излучением света. Выход лазера очень и очень мал - он составляет 30 нВт, что дает судить о КПД лазера - 0.0001%.

 

2.4. Акустический лазер

Новейшее изобретение "Акустический лазер" - представляет собой узконаправленный акустический излучатель когерентных звуковых волн дискретной частоты и относится к акустическим устройствам, предназначенным для излучения звуковых волн методом модуляции газовой струи.

Основная часть звуковой энергии излучается в узком пучке лучей параллельно оси симметрии акустического лазера Абракитова В.Э., причем – именно в нерасходящемся пучке лучей, и характеризуется когерентностью излучаемых волн. По получаемому техническому результату изобретенное устройство подобно световому лазеру может быть использовано как в традиционных областях применения световых лазеров: например, для исследования и анализа материалов, обработки металла, отбойки полезных ископаемых, перфорирования, разделения, сварки материала, разделения текстильных материалов, передачи сигналов и др., - так и в традиционных областях применения ультразвуковых устройств: например, разрушения клеток, эмульгирования воды, масла и т.п., обезгаживания металлических расплавов и жидкостей, кавитации (образования пустот в среде), ультразвуковом сверлении, дефектоскопии материала и др.

 

Рис. 2.5. Схемы звуковидения: a - в отражённых лучах (общая схема); б - по методу дифракции; в - в «звуковизоре» (лабораторная модель); 1 - источник (излучатель) ультразвука; 2 - объект наблюдения; 3 - акустический объектив; 4 - ультразвуковое изображение; 5 - преобразователь; 6 - видимое изображение (экран); 7 - лазер; 8 - ультразвуковые волны; 9 - электронноакустический преобразователь; 10 - усилитель

 

Как известно, обычные, световые лазеры на современном уровне техники имеют очень широкое приложение в самых разнообразных отраслях. Однако, даже и ряде традиционных областей их применения очень часто может оказаться весьма целесообразным осуществлять излучение не света, а звуковых волн - с применением разработанного устройства. Например, сфокусированный луч светового лазера используют для механической обработки материалов (в частности, перфорации в нем отверстий и т.д.). Однако, существуют материалы, непрозрачные для оптического излучения - хотя бы обычное зеркало, которое просто отражает свет (в т.ч. и от светового лазера) назад в ту же самую среду, откуда он пришел. Таким образом, перфорация, например, зеркальной поверхности посредством луча светового лазера просто невозможна. В то же время любая обладающая свойством упругости среда любого возможного химического состава - жидкость или твердое тело, как известно, является средой распространения звуковых волн. Следовательно, в рассмотренном выше примере следует просто заменить световой лазер акустическим.

Впервые в мире удалось создать такую конструкцию источника звука, основные технические признаки которой - монохроматичность излучения, соблюдение известного физического явления самофокусировки волн при их распространении в среде, и высокая концентрация энергии в луче - совпадают с техническими признаками, характеризующими известные световые лазеры и их разновидности (мазеры, иразеры) - однако, в отличие от них, с излучением не в виде электромагнитных, а в виде упругих (звуковых) волн.

Таким образом, акустический лазер обладает невиданными ранее функциональными возможностями. Сверхвысокая мощность достигается именно за счет когерентного (монохроматического) излучения, т.е. излучения звуковых волн дискретной частоты. Когерентность – необходимое условие осуществления интерференции с максимальным увеличением интенсивности, и является существенным отличительным признаком известных световых лазеров. В акустическом лазере Абракитова В.Э. она достигается за счет наличия излучателя акустического сигнала дискретной частоты.

Акустический лазер может работать в диапазоне инфразвуковых, слышимых звуковых частот. Конкретная дискретная частота излучаемых волн назначается за счет подбора соотношений элементов акустического излучателя - сопла, резонансной камеры, клина и патрубков, но наиболее предпочтителен для него диапазон ультразвуковых и гиперзвуковых частот.

 

2.5. Волоконные лазеры

 

Из лазеров с полупроводниковой накачкой, в свою очередь, наиболее популярными становятся волоконные лазеры. Сегодня эти устройства достигли уровня характеристик, в первую очередь, мощности, надежности, позволяющих с успехом использовать их для решения различных задач лазерной обработки материалов. Очень часто волоконные лазеры заменяют в приложениях лазеры других типов, например, твердотельные Nd:YAG-лазеры. Они представляют собой практически идеальные преобразователи световой энергии лазерных диодов накачки в лазерное излучение с рекордным КПД, по сравнению, например, с Nd:YAG - лазерами. Создание таких лазеров явилось результатом многолетнего развития лазерной техники.

Рассмотрим некоторые наиболее важные особенности этих лазеров. На рисунке.2.6 представлена схема работы волоконного лазера с полупроводниковой накачкой и весь оптический тракт вплоть до обрабатываемого материала.

Рис.2.6. Оптическая система с волоконным лазером: 1 - сердцевина, легированная металлом, диаметр 6 - 8 мкм; 2 - кварцевое волокно, диаметр 400–600 мкм; 3 - полимерная оболочка; 4 - внешнее защитное покрытие; 5 - лазерные диоды оптической накачки; 6 - оптическая система накачки; 7 - волокно (до 40 м); 8 - коллиматор; 9 - модулятор света; 10 - фокусирующая оптическая система

Главная особенность этого лазера в том, что излучение здесь рождается в тонком, диаметром всего в 6–8 мкм, волокне (сердцевине — например, активная среда иттербий), которое фактически находится внутри кварцевого волокна диаметром 400–600 мкм. Излучение лазерных диодов накачки вводится в кварцевое волокно и распространяется вдоль всего сложного составного волокна, имеющего длину несколько десятков метров. Упрощенно говоря, это излучение «пересекает», то есть оптически накачивает сердцевину, именно в ней на атомах иттербия (Yb) происходят те замечательные физические превращения, приводящие к возникновению лазерного излучения. Вблизи концов волокна на сердцевине делают два так называемых дифракционных зеркала - в виде набора «насечек» на цилиндрической поверхности сердцевины (дифракционные решетки). Таким образом, создается резонатор волоконного лазера. Общую длину волокна и количество лазерных диодов выбирают, исходя из требуемой мощности, эффективности. На выходе получается идеальный одномодовый лазерный пучок с весьма равномерным распределением мощности, что позволяет сфокусировать излучение в пятно малого размера и иметь большую, чем в случае мощных твердотельных Nd:YAG-лазеров, глубину резкости, а это чрезвычайно важное для лазерных систем свойство, особенно для многолучевых оптических систем (рис.2.7). Также стоит отметить, что ряд свойств излучения волоконных лазеров, например, характер поляризации пучка, делает более удобным и надежным управление этим излучением с помощью акусто-оптических компонентов, позволяет реализовать многолучевые схемы записи изображений. В целом повышается надежность всего оптического тракта лазерной системы. Поскольку оптическая накачка идет по всей длине волокна, отсутствуют, например, такие свойственные обычным твердотельным лазерам эффекты, как термолинза в кристалле, искажения волнового фронта вследствие дефектов самого кристалла, девиация луча со временем и др. Эти эффекты всегда были препятствием для достижения максимальных возможностей твердотельных систем. В волоконном же лазере сам принцип его устройства и работы гарантирует высокие «отчетные характеристики» и делает такие лазеры совершенными, практически идеальными преобразователями светового излучения в лазерное.

 

Рис. 2.7. Форма пучка разных лазерных источников: а - волоконные лазеры, одномодовый режим; б - Nd:YAG-лазеры, многомодовый режим; в - излучение лазерных диод

 

Первоначально это были усилители волоконных линий связи, в которых используется такой же физический принцип усиления сигнала, что и при генерации лазерного излучения. Такие усилители широко используются в системах телекоммуникации на базе оптических волокон. Развитие этих устройств привело к тому, что мощность создаваемого ими оптического излучения достигла уровней нескольких десятков ватт, а это сделало возможным их применение в задачах лазерной обработки материалов. Для одной из таких задач — удаления тонкого черного слоя на цифровом фотополимере — эти лазеры подходят идеально.

Волоконные лазеры по комплексу свойств наиболее оптимальны для применения в системах цифровой флексографии и в этом, пожалуй, главная причина обретения ими все большей популярности в этой области техники.