Сназер — лазер на плазмонах

Группа физиков, выходцев из СССР (Михаила Ногинова (Mikhail Noginov) из Университета Норфолка и Владимира Шалаева (Vladimir Shalaev), профессора Университета Пэрдью) создала в США спазер на основе наночастиц.

Спазер (SPASER — Surface Plasmon Amplification by Simulated Emission of Radiation) является миниатюрным генератором светового излучения на основе стимуляции излучения поверхностными плазмонами. Его также называют нанолазером. В основу идеи спазеров лег физический эффект возбуждения поверхностных плазмонов с помощью направленного к поверхности металла лазерного излучения. При определенных граничных условиях плазменные волны колеблются с той же частотой, что и внешние электромагнитные. У световых волн эффективная длина излучения ограничена дифракционным пределом, определяемым для обычных материалов с положительным коэффициентом преломления величиной, равной примерно половине длины набегающей волны. Длина плазменных волн существенно меньше «магического предела».

Известно, что локализованный поверхностный плазмой присутствует в мелких частицах (наночастицах) таких металлов, как золото или серебро. При достаточно малых размерах частиц, когда диаметр частицы меньше длины волны входящего электромагнитного излучения, наночастица может быть рассмотрена как колеблющийся диполь. Такая наночастица была сформирована на основе сферы из золота порядка 14 нм и покрыта оболочкой из диоксида кремния с примесью зеленого органического красителя (Oregon Green 488) (рис. 5.92).

Общий диаметр наночастицы был в пределах 44 нм. Накачка спазера осуществлялась с помощью внешнего лазерного источника. Облученная наночастица возбуждала молекулы оболочечного красителя. Энергия возбуждения передавалась окружающим электронам, которые в свою очередь возбуждали поверхностные плазмоны. Возникало свечение на зеленой длине волны (531 им). Лазерный свет излучался по всем направлениям. Было показано, что спазер генерирует когерентные поверхностные плазмоны. Актуальным является решение проблемы замены оптического метода накачки спазера на электрический.

Рис. 5.92. Конструкция спазера (а) и его спектр вынужденного излучения (б):

I — ядро из золота; II — оболочка из силиката натрия; III — диоксид кремния с красителем Разрабатывается идея создания лазера на основе квантовых точек. Если квантовые точки поместить в трехмерный фотонный кристалл, то в определенной точке трехмерного кристалла образуется нанообласть, в которой сохраняется световая волна. Эту область можно считать своеобразным микрорезонатором, в котором в результате многократного отражения накапливаются фотоны. Использование лазеров на фотонных кристаллах открывает новые возможности оптоэлектронных компьютеров.

Применение оптических частиц в качестве носителей информации позволит создать микропроцессоры с тактовой частотой в сотни терагерц. При этом использование в фотонной электронике плазмонов позволяет существенно уменьшить размеры источников лазерного излучения. В соответствии с законами квантовой физики, фотоны не могут быть ограничены площадью меньше половины длины их волны. Однако в спазерах роль фотонов берут на себя поверхностные плазмоны, свободные от описанных выше ограничений. Это позволит создавать приборы гораздо меньших размеров.