Создан плазмонный коллиматор для полупроводниковых лазеров

Простой способ формировать почти параллельный пучок лазерного излучения из полупроводникового лазера предложили американские ученые из Гарвардского университета и их японские коллеги из Hamamatsu Photonics. Они отказались от традиционной системы линз для формирования параллельных пучков света и вместо этого использовали тонкие металлические пленки с нанесенным на них специальным рисунком. Пленка поглощает излучаемый полупроводниковым лазером свет и вновь излучает его на той же длине волны - уже в одном направлении. Действие подобного коллиматора основано на использовании плазмонов - коллективных колебаниях свободного электронного газа. Работа опубликована в журнале Nature Photonics.

Полупроводниковые лазеры используются уже более 40 лет в самых разных сферах - от оптических систем связи до обычных лазерных указок. Сами по себе лазеры имеют очень малые размеры (иногда порядка микрометров), однако для большинства применений требуется узкий пучок света, а получить его можно было только с помощью линз высокого качества с большой апертурой - расхождение пучков неколлимированного излучения достигает десятков градусов.

Эксперимент американских ученых проводился с полупроводниковым лазером, излучающим на длине волны 9,9 мкм (ИК-диапазон электромагнитного спектра). В торце лазера поместили тонкий слой металла со щелью шириной 2 мкм, по обе стороны которой располагались ряды параллельных линий, имеющих форму углублений на поверхности фольги. Каждая такая канавка имела ширину 0,8 мкм, глубину 1,5 мкм, а расстояние между линиями было 8,9 мкм.

Плазмоны, возникающие в фольге при поглощении расходящегося под широким углом излучения, проходят через фольгу и рассеиваются на сформированных на ее поверхности канавках, и в результате последующей интерференции формируется новый пучок, у которого расхождение составляет всего 2,4 градуса, а не 63 градуса, как у неколлимированного пучка.

Ученые под руководством д-ра Федерико Капассо (Federico Capasso) использовали два способа создания тонкого металлического слоя для коллимирования пучков света. Первый предусматривает осаждение на поверхности кристалла полупроводника (излучающей грани) тонкого слоя золота толщиной в 1,7 мкм, на котором затем с помощью ионных пучков формируют щель и канавки. Другой вариант основан на создании углублений непосредственно на поверхности кристалла, который затем покрывают 400-микрометровым слоем металла. Оба способа показали одинаковую эффективность, однако для массового использования необходимо найти более простой способ нанесения рисунка на поверхности.

В настоящее время группа ведет работу над формированием концентрических окружностей на поверхности металла вместо параллельных линий. Это даст возможность уменьшить расходимость пучка.

Практическим итогом работы будет значительное сокращение расходов на оптоэлектронные устройства, которые к тому же станут более простыми и надежными в эксплуатации, сообщает Physics World.