物理学者はナノレーザー設計で重要な進歩を遂げる

レーザーは、家電、医療、産業、通信、その他の分野で広く使用されています。数年前、科学者はナノレーザーの概念を導入しました。その設計は、何十年も使用されてきたヘテロ構造に基づいた従来の半導体レーザーに似ています。違いは、ナノレーザーの空洞が非常に小さく、放射する光の波長に比例することです。主に可視光と赤外光を生成するため、サイズは約100万分の1メートルです。

ナノレーザーには、マクロレーザーとは異なる独自の特性があります。ただし、ナノレーザーの出力放射がコヒーレントである電流を特定することはほとんど不可能です。さらに、実際のアプリケーションでは、ナノレーザーの2つの状態を区別することが重要です。高電流でのコヒーレント出力を伴う実際のレーザー効果と、低電流での非コヒーレント出力を伴うLEDのような状態です。モスクワ物理研究所の研究者は、ナノレーザーをどのような状況で実際のレーザーと呼ぶことができるかを決定する方法を開発しました。

近い将来、ナノレーザーは光集積回路に統合される予定です。集積光回路では、それらはフォトニック導波路に基づく新世代の高速相互接続に使用され、CPUおよびGPUのパフォーマンスが桁違いに向上します。同様に、光ファイバーインターネットの出現により、接続速度が向上し、エネルギー効率も向上しました。

これまでのところ、これがナノレーザーの唯一の可能な用途ではありません。研究者はすでに、数百分の1メートルのサイズの化学センサーとバイオセンサーを開発していますが、機械的ストレスセンサーは数十億分の1メートルのサイズです。ナノレーザーは、人間を含む生体のニューロンの活動を制御するためにも使用されると期待されています。

図1.（A）従来のマクロレーザーの出力パワーと（B）特定の温度での典型的なナノスケールレーザーのポンプ電流依存性。

放射線源がレーザーの特性を持つためには、多くの要件を満たす必要があります。主なポイントは、コヒーレント放射を放出する必要があるということです。コヒーレンスに密接に関連するユニークな特性は、いわゆるレーザー閾値の存在です。ポンプ電流がこのしきい値を下回ると、出力放射はほとんど自然に発生し、その特性は従来の発光ダイオード（LED）の出力と変わりません。しかし、しきい値電流に達すると、放射はコヒーレントになります。この時点で、従来のマクロレーザーの発光スペクトルは減少し、その出力はスパイクされます。後者の機能は、出力電流の変化をポンプ電流で調べることにより、レーザーのしきい値を決定する簡単な方法を提供します（図A）。

多くのナノレーザーは、従来のマクロレーザーのように動作し、しきい値電流を示します。ただし、一部のデバイスでは、出力しきい値とポンプ電流の曲線を分析してレーザーのしきい値を決定することはできません。これは、対数目盛の直線のみであるため、特別な特性がないためです（図Bを参照）。このようなナノレーザーは「しきい値なしレーザー」と呼ばれ、疑問が生じます。どの電流で放射がコヒーレントになるのか、それともレーザーのようになりますか？

この質問に答える明らかな方法は、一貫性を測定することです。ただし、放出スペクトルや出力パワーとは異なり、ナノレーザーの場合、コヒーレンスを測定することは困難です。これには、ナノレーザーで内部プロセスが発生する時間スケールである、1兆分の1秒単位で強度変動を記録できる機器が必要になるためです。

モスクワ物理技術研究所のAndrey VishniviとDmitry Fediainenは、技術的に困難な直接コヒーレント測定をバイパスする方法を発見しました。彼らは、主要なレーザーパラメータを使用してナノレーザー放射のコヒーレンスを定量化する方法を開発しました。研究者は、彼らの技術がナノレーザーの閾値電流を決定できると主張している（上記B）。彼らは、「しきい値のない」ナノレーザーでさえ、実際に発光ダイオードをレーザー場から分離する独自のしきい値電流を持っていることを発見しました。放射された放射は、このしきい値電流以下では無関係であり、それ以上ではコヒーレントです。

図2.上の図は、ナノレーザーのしきい値電流とデバイス温度の関係を示しています。

驚くべきことに、ナノレーザーのしきい値電流は、出力特性または発光スペクトルの低下とは関係がありません。これはマクロレーザーのレーザーしきい値の兆候です。図1bは、出力特性に重要な点が見られた場合でも、レーザー状態への遷移がより高い電流で発生することを明確に示しています。これは、ナノレーザーのレーザー科学者にとって予測不可能です。

「私たちの計算表、ナノレーザーに関するほとんどの論文では、レーザーの加工機は実装されていません。出力特性のキンクポイントで測定する研究がありますが、ナノレーザーの放出は実際のレーザー閾値のために無関係です。キンク値を1桁上回った「フェディアネンが追加されました。」通常、ナノレーザーの自己発熱により、コヒーレントな出力を達成することは困難です。

したがって、錯覚レーザーのしきい値を実際のレーザーのしきい値と区別することが重要です。コヒーレントな測定と計算は困難ですが、VishnevichとFediainenは、任意のナノレーザーに適用できる簡単な式を提案しました。この式と出力特性を使用して、ナノレーザーエンジニアは、作成した構造のしきい値電流を迅速に測定できるようになりました（図2を参照）。

JävšnievichとFedyaninによって報告された結果は、設計の一貫性に関係なく、ナノレーザーの放射点を事前に予測できます。これにより、エンジニアは所定の特性と保証されたコヒーレンスを備えたナノレーザーを開発できます。

ナノレーザーは大きな進歩を遂げました！

レーザーは、家電、医療、産業、電気通信などの分野で広く使用されています。数年前、科学者たちはNano Russellを紹介しました。 それらの設計は、何十年もの間一般的に使用されてきたヘテロ構造に基づく従来の半導体レーザと類似している。 違いは、ナノラッカーのキャビティが非常に小さいことです。これは、根元から放出される光の波長によって決まります。 彼らは主に可視光と赤外光を生成するので、それらは約百万分の一メートルの大きさです。 ナノ材料は、巨視的レーザーとは著しく異なる独特の性質を有する。 しかしながら、ナノレーザの出力放射がどの電流でコヒーレントになるかを決定することはほとんど不可能である。さらに、実際の応用では、ナノレーザの２つの状態を区別することが重要である。 現在のインコヒーレント出力のLEDのような状態。 モスクワ物理学研究所の研究者は、どのような状況下でナノレーザーが真のレーザーであるかを決定する方法を開発しました。

近い将来、ナノシリコンは、光導波路に基づく新世代の高速相互接続に必要な集積光回路に統合され、これにより、cpuおよびgpuの性能は数桁向上するであろう。同様に、光ファイバインターネットの出現により、接続速度が向上し、同時にエネルギー効率も向上しました。これまでのところ、これがNano Ratherの唯一の可能なアプリケーションではありません。機械的ストレスセンサーはわずか10億メートルに過ぎないのに対し、研究者たちはすでに幅100万分の1メートルの化学的およびバイオセンサーを開発しています。ナノグリカンは、ヒトを含む生物学的ニューロン活動を制御するためにも使用されると予想される。放射線源を適格なレーザーにするためには、それは多くの要件を満たす必要があり、その中で最も重要なのは、それがコヒーレント放射線を放出しなければならないということである。コヒーレンスと密接に関連する重要な特性は、いわゆるレーザーしきい値の存在です。ポンプ電流がこの閾値を下回ると、出力放射は主に自然発生的になり、その特性は従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）の特性と変わらない。

 

ナノレーザテスト、写真：ツルシアニド/ MIPTしかししきい値電流に達すると、放射はコヒーレントになります。この時点で、従来の巨視的レーザー発光スペクトルは減少し、その出力はピークである。後者の機能は、出力電流をポンプ電流の関数として調べることによって、レーザーのしきい値を決定する簡単な方法を提供します（図1A）。多くのナノモレキュラーシーブは、従来の高分子モレキュラーシーブのように挙動し、そして閾値電流を示す。ただし、デバイスによっては特別な特性がないため、対数 - 対数目盛上の直線（図1Bの赤い線）にすぎないため、出力パワー対ポンプ電流曲線を分析してレーザーしきい値を決定することはできません。このナノグリカンは「閾値なし」と呼ばれる。これは疑問を投げかけます：彼らの放射はどのくらいの電流でコヒーレントになりますか、それともレーザーのようになりますか？この質問に答えるための最も明白な方法は、コヒーレンスを測定することです。しかしながら、発光スペクトルおよび出力パワーとは異なり、コヒーレンスを測定することは困難である。なぜなら、それは、1兆分の1秒当たりの強度変動を記録することができる装置（ナノレーザ内部プロセスが起こる時間スケール）を必要とするからである。

 

従来のマクロレーザー（a）と典型的なナノレーザー（B）の出力パワーと与えられた温度でのポンプ電流との関係。写真： VyshnevyyとD.Yu.モスクワ物理学研究所のAndrey VyshnevyyとDmitry Fedyaninは、技術的に困難な直接コヒーレント測定を回避する方法を見つけました。Fedyanin、DOI：10.1364 / OE.26.033473彼らは、主なレーザパラメータを用いてナノレーザ放射のコヒーレンスを定量化する方法を開発した。研究者らは、彼らの技術があらゆるナノレーザの閾値電流を決定することができると主張している（図1B）。彼らは、「無しきい値」ナノレーザであっても、実際にはLEDとレーザを分離する独自のしきい値電流を持っていることを発見しました。放出された放射線は、閾値電流以下ではインコヒーレントであり、閾値電流以上ではコヒーレントである。驚くべきことに、ナノレーザの閾値電流は、巨視的レーザにおけるレーザ閾値の特徴である出力特性または発光スペクトルの狭小化とは何の関係もない。図1Bは、たとえ出力特性に大きなキンクが見られたとしても、より高い電流ではレーザー状態への遷移が起こることを明確に示しています。これはレーザー科学者がナノレーザーに期待できないことです。
 

ナノレーザの閾値電流とデバイス温度との間の関係、青および緑の曲線は、赤線によって示される正確な値に非常に近い。画像：Andrey A. VyshnevyyとDmitry Yu。計算は、ナノレーザに関するほとんどの論文では、レーザシステムが実装されていないことを示しています。研究者らは出力特性上でキンクより上のレーザーを測定したが、実際のレーザー閾値はキンク値より上の桁の大きさであったため、ナノレーザ発光は矛盾していた。一般に、ナノレーザの自己発熱のため、安定した出力を達成することは不可能です。したがって、仮想レーザーしきい値と実際のレーザーしきい値を区別することが重要です。コヒーレンスの測定と計算が困難であるにもかかわらず、VishnevskyとFedianinは、どんなナノレーザーにも適用できる簡単な公式を提案しました。この公式と出力特性を使用して、ナノレーザのエンジニアは構造を作成するしきい値電流を素早く測定することができます（図2を参照）。 VyshnevyyとFedyaninによって報告された結果は、（その設計に関係なく）ナノレーザの放射がどのようにして安定するかを事前に予測することを可能にします。これにより、エンジニアは決められた特性と保証されたコヒーレンスを持つナノレーザを決定論的に開発することができます。