• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Ученые разработали эффективные лазеры размером с пылинку

Ученые разработали эффективные лазеры размером с пылинку

© iStock

Исследователи НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге нашли способ создать эффективные микролазеры диаметром всего 5–8 микрометров. Они работают при комнатной температуре, не требуют охлаждения и могут встраиваться в микросхемы. Ученые использовали эффект шепчущей галереи для удержания света и буферные слои для снижения утечек энергии и напряжений. Подход перспективен для интеграции лазеров в чипы, сенсоры и квантовые технологии. Исследование опубликовано в «Письмах в Журнал технической физики».

Устройства вокруг нас становятся все компактнее и при этом не теряют функциональности. Смартфоны решают задачи, для которых раньше требовался компьютер, а небольшие камеры снимают почти как профессиональные. Миниатюризация коснулась и лазеров — источников направленного светового излучения, которые встраивают в оптические чипы, сенсоры, медицинские приборы и системы связи. 

Но уменьшить лазер, сохранив его оптические свойства, эффективность и надежность, непросто. Разработка лазера размером 5–8 микрометров (примерно как диаметр эритроцита) требует сложных расчетов, а его производство — высокой точности. Главная трудность — в устройстве самого лазера. В отличие от обычных источников света, лазеры усиливают излучение внутри резонатора — структуры, где свет многократно отражается и усиливается. И чем компактнее лазер, тем сложнее удержать внутри него свет так, чтобы он многократно отражался, усиливался и не терял энергию —  именно это важно для его стабильной работы.

Другая сложность — дефекты в материале. В лазерах используются кристаллы, способные усиливать свет. Но при их выращивании часто возникают микроскопические дефекты, которые снижают эффективность генерации света. Чтобы свести такие нарушения к минимуму, ученые тщательно подбирают условия синтеза и заранее моделируют свойства кристаллов в разных режимах. При этом решение одной проблемы нередко вызывает появление других, и разработка лазеров превращается в постоянный поиск баланса.

Ученые НИУ ВШЭ создали микролазеры диаметром всего 5–8 микрометров, работающие при комнатной температуре. Они использовали кристаллическую структуру из соединений индия, галлия, азота и алюминия, выращенную на кремниевой подложке. Для удержания света в крошечном пространстве ученые применили эффект шепчущей галереи. 

Эдуард Моисеев

«Это явление известно в акустике: в некоторых храмах и соборах можно прошептать слова у одной стены, и звук будет отчетливо слышен у противоположной стены, несмотря на то что в обычных условиях звук не распространился бы на такое расстояние. Аналогичный эффект позволяет свету многократно отражаться внутри дискового микролазера, благодаря чему потери минимизируются», — объясняет старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Эдуард Моисеев.

Однако даже при таких условиях световые волны могут частично уходить в подложку и теряться. Чтобы этого избежать, исследователи добавили ступенчатый буферный слой. Он компенсирует механические напряжения между кремнием и нитридными слоями, а также снижает утечку излучения, позволяя лазеру стабильно работать даже при небольших размерах.

Спектр фотолюминесценции микролазера. Узкая интенсивная линия на спектре соответствует лазерному излучению, возникающему за счет многократного отражения света внутри микрорезонатора благодаря эффекту шепчущей галереи и оптического усиления квантово-размерной активной области. Вставка справа — численный расчет, показывающий, что свет остается внутри структуры и не уходит в подложку. Наверху — фото трех фотолюминесцирующих микролазеров.
© E. Moissev et al

Наталья Крыжановская

«Наши микролазеры стабильно работают при комнатной температуре, без систем охлаждения, что делает их удобными для реального использования. В будущем такие устройства позволят создавать более компактные и энергоэффективные оптоэлектронные приборы», — объясняет заведующая Международной лабораторией квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Наталья Крыжановская.

Статья подготовлена в ходе проведения исследования в рамках проекта «Международное академическое сотрудничество» НИУ ВШЭ.

Вам также может быть интересно:

Географы НИУ ВШЭ, используя GPT, создали базу данных об опасных природных явлениях

Географы Вышки создали новую технологию в ходе исследования «Лучшие практики адаптации к природно-климатическим рискам в России», реализованного в рамках стратегического проекта «ИИ-технологии для человека» в 2024 году. В 2025 году разработка географов Вышки стала финалистом международного конкурса “AI for Good: Innovate for impact”, в июле она будет представлена на международном cаммите ООН.

На пути к антихрупкости: устойчивые финансы — основа для развития компании

В Высшей школе экономики состоялась презентация вышедшей в издательстве университета книги «Российские корпорации на пути к антихрупкости. Финансовая архитектура компаний». Авторы исследования представили ключевые результаты и обсудили тенденции развития корпоративного сектора в России и мире.

Ученые НИУ ВШЭ исследуют изменения финансовой архитектуры российских компаний с 2022 года

В издательстве НИУ ВШЭ вышла книга «Российские корпорации на пути к антихрупкости. Финансовая архитектура компаний» под редакцией Ирины Ивашковской, ординарного профессора, руководителя Школы финансов НИУ ВШЭ, Ярослава Кузьминова, научного руководителя НИУ ВШЭ, Ровшана Алиева, президента «Экосистемы МТС». В ней собраны результаты второго этапа масштабного исследования процессов адаптации российского бизнеса к шоковым изменениям, вызванным санкционными ограничениями, и новых практик российских корпораций.

НИУ ВШЭ победил в отборе исследовательских центров в сфере ИИ

Высшая школа экономики стала одним из победителей отбора третьей волны исследовательских центров в сфере искусственного интеллекта. Центр оптимизации и адаптации больших фундаментальных моделей НИУ ВШЭ (Центр ИИ) займется созданием новых методов и инструментов, чтобы сделать обучение, использование и адаптацию сложных моделей искусственного интеллекта дешевле и эффективнее.

«Партнерство ВШЭ и ВТБ: кооперация для решения прикладных задач»

В ВШЭ прошла проектная сессия, посвященная научному и технологическому сотрудничеству университета и Банка ВТБ. Сотрудники ВШЭ представили самые разные проекты, которые помогут обеспечить банку технологическое лидерство. Например, это создание 3D-аватаров по фотографии человека или решения для снижения уровня стресса сотрудников. Всего 21 проект в итоге был взят в работу банком. Следующая встреча представителей ВТБ и ВШЭ состоится в сентябре.

Человекоцентричность в здравоохранении: новая модель управления персоналом в медицинских организациях

Лаборатория человекоцентричности и лидерских практик (Лаборатория ЧИЛ) НИУ ВШЭ реализует прикладные научно-исследовательские проекты, призванные сделать систему здравоохранения человекоцентричнее. Один из них, проект «Формирование человекоцентричной модели управления в организациях сферы здравоохранения», направлен на внедрение человекоцентричной модели управления персоналом в медицинских организациях.

Онлайн-кампус НИУ ВШЭ стал лауреатом премии «AI Олимп»

«AI Олимп» оценивает разработки в области искусственного интеллекта и является продолжением проекта Digital Leaders, который более 10 лет освещает лучшие достижения в области цифровизации, онлайн-сервисов и диджитал-решений.Онлайн-кампус НИУ ВШЭ стал победителем номинации «Платформа года» в категории «Персонализированные обучающие платформы». Среди лауреатов премии — Сбер, «Гемотэк», RuStore, «Норникель», «Авито» и другие крупные компании.

Ученые ВШЭ рассказали, как определить важные для речевой функции области мозга при операциях

Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ провели школу по трактографии — методу, который позволяет «увидеть» важнейшие связи в мозге и помогает хирургам избежать повреждений критически важных для речевой функции областей во время операции. Участниками курса стали нейрохирурги и радиологи из Москвы и других регионов страны, интересующиеся методами предоперационного картирования речи.

Онлайн-кампус ВШЭ запускает образовательный портал для повышения технологической грамотности россиян

Онлайн-кампус Высшей школы экономики открывает портал «Вышка.Тех» для специалистов, желающих научиться органично интегрировать передовые технологии в рабочие процессы. Функционал сайта объединяет в себе экспертизу академического сообщества и представителей рынка, обеспечивает пользователей практико-ориентированными материалами от ведущего вуза страны.

Рейтинг вузов Forbes: у НИУ ВШЭ — лучшая репутация среди работодателей

22 мая Forbes Education представил обновленный рейтинг 100 лучших университетов России на 2025 год. Высшая школа экономики сохранила 2-е место, зарекомендовав себя как университет с самым высоким уровнем репутации среди работодателей. В топ-20 вошли 12 московских вузов, три университета из Санкт-Петербурга, два — из Татарстана и по одному учебному заведению из Свердловской, Новосибирской и Томской областей.