Ученые разработали эффективные лазеры размером с пылинку
Исследователи НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге нашли способ создать эффективные микролазеры диаметром всего 5–8 микрометров. Они работают при комнатной температуре, не требуют охлаждения и могут встраиваться в микросхемы. Ученые использовали эффект шепчущей галереи для удержания света и буферные слои для снижения утечек энергии и напряжений. Подход перспективен для интеграции лазеров в чипы, сенсоры и квантовые технологии. Исследование опубликовано в «Письмах в Журнал технической физики».
Устройства вокруг нас становятся все компактнее и при этом не теряют функциональности. Смартфоны решают задачи, для которых раньше требовался компьютер, а небольшие камеры снимают почти как профессиональные. Миниатюризация коснулась и лазеров — источников направленного светового излучения, которые встраивают в оптические чипы, сенсоры, медицинские приборы и системы связи.
Но уменьшить лазер, сохранив его оптические свойства, эффективность и надежность, непросто. Разработка лазера размером 5–8 микрометров (примерно как диаметр эритроцита) требует сложных расчетов, а его производство — высокой точности. Главная трудность — в устройстве самого лазера. В отличие от обычных источников света, лазеры усиливают излучение внутри резонатора — структуры, где свет многократно отражается и усиливается. И чем компактнее лазер, тем сложнее удержать внутри него свет так, чтобы он многократно отражался, усиливался и не терял энергию — именно это важно для его стабильной работы.
Другая сложность — дефекты в материале. В лазерах используются кристаллы, способные усиливать свет. Но при их выращивании часто возникают микроскопические дефекты, которые снижают эффективность генерации света. Чтобы свести такие нарушения к минимуму, ученые тщательно подбирают условия синтеза и заранее моделируют свойства кристаллов в разных режимах. При этом решение одной проблемы нередко вызывает появление других, и разработка лазеров превращается в постоянный поиск баланса.
Ученые НИУ ВШЭ создали микролазеры диаметром всего 5–8 микрометров, работающие при комнатной температуре. Они использовали кристаллическую структуру из соединений индия, галлия, азота и алюминия, выращенную на кремниевой подложке. Для удержания света в крошечном пространстве ученые применили эффект шепчущей галереи.
Эдуард Моисеев
«Это явление известно в акустике: в некоторых храмах и соборах можно прошептать слова у одной стены, и звук будет отчетливо слышен у противоположной стены, несмотря на то что в обычных условиях звук не распространился бы на такое расстояние. Аналогичный эффект позволяет свету многократно отражаться внутри дискового микролазера, благодаря чему потери минимизируются», — объясняет старший научный сотрудник Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Эдуард Моисеев.
Однако даже при таких условиях световые волны могут частично уходить в подложку и теряться. Чтобы этого избежать, исследователи добавили ступенчатый буферный слой. Он компенсирует механические напряжения между кремнием и нитридными слоями, а также снижает утечку излучения, позволяя лазеру стабильно работать даже при небольших размерах.

Наталья Крыжановская
«Наши микролазеры стабильно работают при комнатной температуре, без систем охлаждения, что делает их удобными для реального использования. В будущем такие устройства позволят создавать более компактные и энергоэффективные оптоэлектронные приборы», — объясняет заведующая Международной лабораторией квантовой оптоэлектроники НИУ ВШЭ в Санкт-Петербурге Наталья Крыжановская.
Статья подготовлена в ходе проведения исследования в рамках проекта «Международное академическое сотрудничество» НИУ ВШЭ.
Вам также может быть интересно:
Ученые НИУ ВШЭ исследуют изменения финансовой архитектуры российских компаний с 2022 года
В издательстве НИУ ВШЭ вышла книга «Российские корпорации на пути к антихрупкости. Финансовая архитектура компаний» под редакцией Ирины Ивашковской, ординарного профессора, руководителя Школы финансов НИУ ВШЭ, Ярослава Кузьминова, научного руководителя НИУ ВШЭ, Ровшана Алиева, президента «Экосистемы МТС». В ней собраны результаты второго этапа масштабного исследования процессов адаптации российского бизнеса к шоковым изменениям, вызванным санкционными ограничениями, и новых практик российских корпораций.
Человекоцентричность в здравоохранении: новая модель управления персоналом в медицинских организациях
Лаборатория человекоцентричности и лидерских практик (Лаборатория ЧИЛ) НИУ ВШЭ реализует прикладные научно-исследовательские проекты, призванные сделать систему здравоохранения человекоцентричнее. Один из них, проект «Формирование человекоцентричной модели управления в организациях сферы здравоохранения», направлен на внедрение человекоцентричной модели управления персоналом в медицинских организациях.
«Основная отрасль медицины, на которую направлены наши разработки, — кардиология»
Применение математических моделей в диагностике и лечении болезней сердечно-сосудистой системы повышает эффективность выявления у пациентов предрасположенности к заболеваниям, облегчает выбор стратегии излечения. Используя математические модели, можно создать новые диагностические приборы, обучить нейросети для помощи врачам. Такая работа ведется исследователями Вышки в рамках проекта «Зеркальные лаборатории». Подробнее — в интервью Наталии Станкевич, старшего научного сотрудника Международной лаборатории динамических систем и приложений НИУ ВШЭ — Нижний Новгород.
НИУ ВШЭ и Ханойский государственный университет создадут совместный научно-исследовательский институт
В Москве состоялось подписание соглашения между НИУ ВШЭ и Ханойским государственным университетом (ХГУ). Документ подписан в рамках визита официальной вьетнамской делегации на торжества, приуроченные к 80-летию Победы, и переговоров с участием Президента Российской Федерации Владимира Путина и генерального секретаря Центрального комитета Коммунистической партии Вьетнама То Лама. Подписи поставили ректор НИУ ВШЭ Никита Анисимов и ректор ХГУ Ле Куан.
Для технологического лидерства: Вышка создала цифровой Репозиторий социально-экономической информации
НИУ ВШЭ запустил уникальный Репозиторий социально-экономической информации, заменивший устаревшую платформу единого архива экономических и социологических данных. Модернизированы не только внешний вид и функциональные возможности, но и сама концепция платформы.
«Есть идеи? Заходи!»: чем занимается Центр трансфера и управления социально-экономической информацией НИУ ВШЭ
В Вышке завершается преобразование Единого архива экономических и социологических данных в Центр трансфера и управления социально-экономической информацией. В рамках этого процесса вместо электронного архива уже запущен веб-сервис «Репозиторий социально-экономической информации НИУ ВШЭ». Зачем нужны эти изменения и что они дадут университету, ученым и студентам, в интервью новостной службе «Вышка.Главное» рассказала директор центра Вера Вишнякова.
Стратегии роста: как корпорациям добиться антихрупкости в период турбулентности
Школа финансов факультета экономических наук НИУ ВШЭ 7 ноября представила подготовленную группой ученых и практиков финансового управления коллективную монографию «Российские корпорации в новой реальности. Финансовые стратегии на пути к антихрупкости», вышедшую в издательском доме университета. В презентации и обсуждении результатов исследования приняли участие авторы книги и представители бизнес-сообщества.
В НИУ ВШЭ завершилась вторая программа ПК по преподавательскому мастерству
Ее слушателями стали вузовские и школьные преподаватели из Майкопа, Москвы и Владивостока. Первую неделю они обучались очно — посещали занятия экспертов по преподавательскому мастерству в Высшей школе экономики, а вторую неделю — дистанционно в своих регионах. На итоговой аттестации они представили обновленные версии своих учебных курсов.
Бизнес-разработки и студенты в науке: какие еще задачи у новой лаборатории Института ИИ и цифровых наук
Лабораторию теоретических основ моделей ИИ возглавил старший научный сотрудник факультета компьютерных наук Никита Пучкин, за прикладные разработки будет отвечать руководитель проектов Института ИИ и цифровых наук Елизавета Жемчужина. О том, чем будет заниматься лаборатория, как планируется организовать сотрудничество с индустриальными партнерами и какая роль в ее работе отводится студентам Вышки, они рассказали в интервью «Вышке.Главное».
Искусственный интеллект в университете: вызовы и задачи
На форуме «Технопром-2024», прошедшем в Новосибирске, Высшая школа экономики организовала круглый стол, посвященный обсуждению роли искусственного интеллекта в образовании. Как технологии ИИ помогают выводить качество образования в НИУ ВШЭ на новый уровень, рассказали представители университета.