3.2 Спазер — лазер на плазмонах

Спазер — миниатюрный генератор светового излучения на основе стимуляции излучения поверхностными плазмонами. Его еще называют нанолазером. В основу идеи спазеров лег физический эффект возбуждения поверхностных плазмонов с помощью направленного к поверхности металла лазерного излучения. При определенных граничных условиях плазмонные 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 плазмонных волн существенно меньше «магического предела». Группа физиков, в основном выходцев из СССР, создала в США спазер на основе наночастицы. Известно, что локализованный поверхностный плазмон присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При достаточно малых размерах этих 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 размером ~ 14 нм и покрыта оболочкой из диоксида кремния с примесью зеленого органического красителя Oregon Green 488 (рисунок 5). 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 нм). Свет излучался по всем направлениям и был когерентным. Было показано, что спазер генерирует когерентные поверхностные плазмоны. Актуальна замена оптического метода накачки спазера на электрический.

Рисунок 5 - 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. Использование оптических частиц в качестве носителей информации позволит создать микропроцессоры с тактовой частотой в сотни терагерц. При этом применение в фотонной электронике плазмонов позволяет существенно уменьшить размеры источников лазерного излучения. В соответствии с законами квантовой физики, фотоны не могут быть ограничены размерами меньше половины длины их волны. Однако в спазерах роль фотонов берут на себя поверхностные плазмоны, свободные от описанных выше ограничений. Это позволит создавать процессоры гораздо меньших размеров.