Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего продемонстрировали первый в мире лазер, работа которого основана на весьма необычном явлении волновой физики, называемом связанным состоянием в континууме. Такой лазер, называемый BIC-лазером, может быть легко настроен на излучение света с определенной длиной волны, что весьма полезно для области медицины, называемой лазеротерапией. Кроме этого, BIC-лазер способен излучать лучи света с заранее заданной формой (спираль, тор или кривая нормального распределения), называемые векторными лучами, использование которых позволит передавать в десятки и сотни раз больше данных и что, в свою очередь, позволит создать более скоростные коммуникационные системы и более мощные компьютеры.
Связанные состояния в континууме (Bound states in the continuum, BIC) — это явление, которое в теории существует с 1929 года. С физической точки зрения, BIC являются волнами, находящимися в открытой системе, но продолжающимися оставаться в связанном и ограниченном состоянии. Обычные волны в открытой системе могут распространяться во всех направлениях, но BIC-волны ведут себя совершенно иначе, их распространение ограничено некоей областью и они никогда не «сбегают» оттуда, даже несмотря на наличие открытых путей.
В своих предыдущих исследованиях ученые из Калифорнийского университета показали, что BIC-волны микроволнового диапазона могут быть использованы для эффективного захвата и удержания фотонов света в ловушке и обеспечения взаимодействия этого света с материей. Теперь, используя это явление, они разработали лазер нового типа, работа которого кардинально отличается от принципов работы всех других типов лазеров.
BIC-лазер построен на базе тонкой мембраны из полупроводникового материала, являющегося сложным соединением из индия, галлия, мышьяка и фосфора. Кроме этого, мембрана имеет структуру, представляющую собой матрицу наноразмерных цилиндров, соединенных перемычками, которые придают всему этому механическую прочность. Именно свойства материала, размеры и форма элементов являются теми «эффекторами», которые обуславливают появление BIC-волн и связанных с ними явлений в районе мембраны.
Эта мембрана активизируется лучом лазерного света высокой частоты и начинает излучать свой собственный свет на более низкой частоте, на частоте, которая используется в оптических телекоммуникациях.
Опытный образец BIC-лазера, созданный учеными, является демонстрацией того, что такой метод позволяет получить стабильный поток направленного когерентного излучения. Кроме этого, такие лазеры, помещенные на поверхность чипов, могут работать, используя матрицу элементов, размером 8 на 8. Для сравнения, VCSEL-лазеры (vertical-cavity surface-emitting lasers), используемые в современных технологиях, используют матрицы, минимум в 100 раз большие, нежели матрица BIC-лазера, и потребляют, соответственно, большее количество энергии.
Размер матрицы BIC-лазера может быть увеличен без каких-либо ограничений. Это позволит создавать мощные лазеры промышленного и военного назначения. А высочайший КПД таких лазеров позволит избавиться от традиционной «болезни» всех твердотельных лазерных систем, от перегрева при работе и от необходимости использования высокоэффективного охлаждения.
Следующим шагом, который намерены сделать ученые из Калифорнийского университета, станет разработка BIC-лазера с электрической накачкой, а не оптической, как сейчас. «Лазеры с электрической накачкой могут использоваться везде где угодно вне стен исследовательских лабораторий» — пишут исследователи, — «Для приведения его в действие потребуется лишь аккумуляторная батарея или более мощный источник электрической энергии».
Источник: