Воздух — слабое место лазеров? Учёные сказали “да ну” и заменили его стеклом

Инженеры из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали первую в мире фотон-кристаллическую лазерную установку (PCSEL), способную работать при комнатной температуре, безопасную для глаз и не требующую хрупких воздушных полостей. Это достижение открывает путь к созданию нового поколения лазеров для LiDAR , оптической связи и сенсорных систем, применяемых в автономных транспортных средствах и оборонных технологиях .

Традиционно такие лазеры формируют структуру с воздушными полостями, которые направляют свет внутри устройства. Однако при наращивании полупроводникового материала эти отверстия часто исчезают, разрушая фотонную решётку и делая лазер нефункциональным. Исследователи решили заменить воздух на диоксид кремния — твёрдый диэлектрик, способный выдерживать последующий рост кристаллических слоёв.

Этот подход позволил сохранить стабильность структуры и избежать её разрушения. Однако решение породило новую задачу: кремнезём — аморфный материал, и на его поверхности крайне сложно выращивать полупроводники. «Идеальный рост требует чистой кристаллической решётки от основания вверх, чего сложно добиться на аморфной подложке», — объяснила Эрин Рафтри, ведущая авторка исследования.

Инженеры нашли способ обойти эту проблему. Они контролировали условия так, чтобы материал сначала рос по бокам диэлектрика, а затем сливался сверху в единую структуру — этот процесс называется коалесценцией. В результате получился PCSEL, способный испускать лазерный луч под фотопомпингом (photopumping) — воздействием света, — при комнатной температуре и в диапазоне, безопасном для глаз.

Созданный лазер генерирует узкий, круглый и яркий луч, что делает его перспективным для оптики, связи и военного применения. Кроме того, использование твёрдого материала вместо воздушных полостей упрощает производство и повышает надёжность.

Пока что прототип требует внешнего источника света, но команда уже работает над электрически управляемой версией, что позволит интегрировать такие лазеры в реальные системы с питанием от стандартных источников. Работа опубликована в IEEE Photonics Journal.