Полосатая линза

Полупроводниковые лазеры, весьма широко использующиеся в современной технике, вскоре обещают стать компактнее и дешевле. Найден новый способ фокусировки их излучения - с помощью поверхностных плазмонов.

Новый способ фокусировки излучения полупроводниковых лазеров с помощью поверхностных плазмонов продемонстрировали физики из Гарвардского университета при поддержке японских коллег из исследовательской лаборатории Hamamatsu Photonics. Метод обещает скорое появление более компактных и дешевых полупроводниковых лазеров с малым расхождением луча.

Полупроводниковые лазеры, излучающие фотоны при "аннигиляции" электронов и дырок, сегодня используются в самых разных устройствах, от линий оптических телекоммуникаций и DVD-приводов до лазерных указок и систем безопасности. Однако излучение этих, как правило, миниатюрных устройств мало похоже на идеальные лучи классических рубиновых лазеров с длинным зеркальным резонатором. Длина активной зоны полупроводникового лазера невелика, а диаметр сопоставим с излучаемой длиной волны. Поэтому из-за дифракции излучение таких лазеров сильно расходится и фактически представляет собой конус с углом раствора в несколько десятков градусов. Чтобы собрать конус в узкий луч, обычно используют специальные высококачественные линзы, которые сильно усложняют и удорожают конструкцию и к тому же значительно увеличивают размеры устройства.

Теперь ученые смогут заменить дорогую линзу тонкой металлической фольгой со щелью и канавками, наносимой на торец лазера при изготовлении. Для экспериментов был выбран квантовый каскадный лазер, излучающий на длине волны 9,9 мкм. На его торец был нанесен изолированный слой золота толщиной 1,7 мкм с щелью шириной около двух микрон напротив активной зоны лазера. Параллельно щели на фольге ионным пучком была изготовлена серия канавок шириной 0,8 и глубиной 1,5 мкм на расстоянии 8,9 мкм друг от друга.

Это на первый взгляд простое устройство, совсем не похожее на обычную линзу, работает следующим образом. Проходя сквозь щель, излучение лазера частично поглощается, возбуждая в фольге поверхностные плазмоны - коллективные колебания электронного газа металла и электромагнитного поля. Плазмоны, распространяясь по фольге, встречают на своем пути канавки и рассеиваются на них, вновь частично трансформируясь в электромагнитные волны с той же частотой, что и излучение лазера. Размеры канавок и расстояние между ними подобраны так, чтобы волны интерферировали с излучением лазера и усиливали узкий пучок, гася все, что излучается под большими углами. Так удалось более чем в 25 раз уменьшить угол расхождения луча, с 63 до 2,4 градусов, при весьма небольших потерях энергии.

В экспериментах с успехом была проверена и другая конструкция металлической линзы. Канавки были нанесены прямо на полупроводник, а затем, после тонкого слоя изолятора, был нанесен слой металла толщиной всего 400 нм. Эта конструкция требует меньше золота, более практична, но все еще плохо приспособлена для массового производства.

К сожалению, полосатая плазмонная линза концентрирует луч лишь в одном измерении, и он по-прежнему сильно расходится в направлении, параллельном канавкам. Но работоспособность концепции уже доказана, и сейчас ученые заняты расчетом и изготовлением полноценной двумерной плазмонной линзы, в которой параллельные канавки будут заменены концентрическими кругами. Кроме того, идет поиск других технологий изготовления плоских плазмонных линз, которые лучше подойдут для массового производства.