Ученые Принстонского университета открыли новый тип лазера

Исследовательская группа под руководством Клер Гмахл (Claire Gmachl), директора научно-исследовательского центра Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (MIRTHE) при Принстонском университете, открыла принципиально новый механизм лазерной генерации, который может привести к созданию лазеров со сниженным энергопотреблением, работающих при более высоких температурах.

Спектр применения лазеров нового типа довольно широк – медицинская диагностика, мониторинг окружающей среды, системы безопасности и пр. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics. Исследования частично финансировались центром MIRTHE, который субсидируется Национальным научным фондом США (National Science Foundation, NSF), а также программой Physics of Intersubband Semiconductor и европейской организацией Marie Curie Research Training Network.

Лазеры, в которых световое излучение формируется при подаче электрического тока на полупроводниковый диод, широко используются в современной бытовой технике. В каскадном лазере, с которым работали исследователи (образце длиной 3 мм и в 10 раз тоньше человеческого волоса), излучающий материал состоит из многочисленных слоев (толщиной всего в несколько атомов) разных полупроводников. В таком устройстве электроны, по мере потери энергии, каскадом спускаются через все слои, выделяя синхронизированные фотоны. Ранее было обнаружено, что наряду с основным пучком квантово-каскадным лазером образуется второй лазерный луч с несколько меньшей длиной волны. Оказалось, что этот световой поток обладает рядом необычных свойств: второй пучок генерируется от электронов с более низкой энергией, но более высоким импульсом, для его испускания электроны не должны переходить в квазиравновесное состояние, мощность побочного луча растет с уменьшением мощности основного пучка, и при увеличении температуры до определённого значения сила второго луча увеличивается (у обычных лазеров она уменьшается). Кроме того, второй лазерный луч реабсорбирует примерно 10% выпущеных фотонов, таким образом его КПД значительно превосходит показатели основного пучка.

Новый вид лазера может применяться, в частности, для выявления паров воды, аммиака, оксидов азота и других газов, которые поглощают инфракрасный свет. Однако для его практической реализации необходимо научиться подавлять основной световой пучок. Именно в этом направлении рабочая группа из Принстонского университета намерена продолжить исследования.