Лазеры на углеродных нанотрубках

Принцип действия лазеров на углеродных нанотрубках

Углеродные нанотрубки (УНТ) — квазиидеальные одномерные материалы, представляющие собой цилиндры из свернутых в трубку графеновых листов. В зависимости от их хиральности и диаметра, УНТ могут обладать как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами. Именно полупроводниковые УНТ представляют особый интерес для лазерной физики, поскольку они способны излучать когерентный свет в ближнем ИК-диапазоне.

Лазеры на углеродных нанотрубках основываются на использовании экситонного перехода, возникающего при рекомбинации электронов и дырок в полупроводниковых УНТ. Вследствие сильной одномерной локализации заряда в нанотрубке, кулоновское взаимодействие между электроном и дыркой особенно эффективно, что приводит к образованию устойчивых экситонов с большой связанной энергией. Это делает возможным эффективное спонтанное и стимулированное излучение.

Свойства УНТ, благоприятные для лазерных применений

Высокая прочность и химическая стабильность. УНТ устойчивы к термическим и химическим воздействиям, что делает их надёжными активными средами в условиях экстремальных температур или агрессивных сред.
Эмиссионные свойства. Полупроводниковые УНТ демонстрируют фотолюминесценцию с узкими линиями излучения, что важно для формирования узкого спектра лазерного излучения.
Регулируемость параметров. Энергетическая щель и, соответственно, длина волны излучения зависят от диаметра и хиральности нанотрубки, что позволяет подбирать материал под конкретный диапазон частот.
Совместимость с кремниевой технологией. Возможность интеграции УНТ с планарными фотонными и электронными структурами открывает путь к созданию компактных лазерных систем.

Механизмы возбуждения излучения

В лазерах на углеродных нанотрубках могут использоваться два основных механизма накачки: оптическая и электрическая.

Оптическая накачка осуществляется лазерным импульсом, возбуждающим электроны в зону проводимости. После релаксации происходит рекомбинация с дырками, сопровождаемая излучением фотона. При достижении инверсии населённости в активной среде запускается процесс вынужденного излучения.
Электрическая накачка реализуется в структурах на основе транзисторов с УНТ-каналом. При подаче напряжения через сток-источник в нанотрубке возникает ток, сопровождаемый рекомбинацией носителей и излучением фотонов. Эффективность этого механизма ограничивается инжекцией зарядов и рассеянием.

Резонаторные структуры и усиление

Создание эффективного лазера требует формирования резонатора, обеспечивающего многократное прохождение света через активную среду. Для лазеров на УНТ применяются следующие типы резонаторов:

Фотонные кристаллы и нанорезонаторы. Эти структуры позволяют локализовать свет в малых объемах (режим сильной локализации поля), повышая вероятность взаимодействия фотонов с экситонами УНТ. Часто используются микродиски, микрокольца и нанорезонаторы с высокими добротностями.
Фабри-Перо резонаторы. Конфигурации, где УНТ размещаются между двумя зеркальными поверхностями, позволяющими многократно усиливать стимулированное излучение.
Плазмонные резонаторы. Взаимодействие излучения УНТ с локализованными плазмонами металлических наноструктур позволяет достичь сверхмалых объемов мод и усилить световое поле.

Режимы генерации и характеристики излучения

Лазеры на углеродных нанотрубках демонстрируют генерацию в ближнем инфракрасном диапазоне, обычно от 0.8 до 2 мкм, в зависимости от диаметра и типа нанотрубки. Генерация может быть как непрерывной, так и импульсной. Характеристики излучения зависят от добротности резонатора, плотности накачки, а также эффективности извлечения света из структуры.

Ширина линии может составлять менее 1 нм, что обусловлено узкой природой экситонных переходов.
Пороговая плотность накачки варьируется в зависимости от конструкции, но может быть снижена за счёт использования резонаторов с высокой добротностью и эффективной световой локализацией.
Когерентность генерируемого излучения подтверждается наблюдением интерференционных эффектов и спектральным анализом.

Материалы и технологии получения

Углеродные нанотрубки получают методами химического осаждения из газовой фазы (CVD), дугового разряда или лазерной абляции. Для лазерной физики важно получение однородных по хиральности и диаметру УНТ, поскольку от этих параметров зависит точная длина волны генерации. Технологии сепарации УНТ по типу (металлические / полупроводниковые) включают центрифугирование, хроматографию и электрофоретические методы.

Интеграция УНТ в лазерные структуры требует точного позиционирования, для чего применяются методы:

самосборки на функционализированных подложках;
направленного роста в микрошаблонах;
манипулирования с помощью АСМ или электронной литографии.

Применения лазеров на УНТ

Нанофотоника. Благодаря малым размерам и интеграбельности УНТ-лазеры могут использоваться в фотонных микросхемах, сенсорах и коммутационных устройствах.
Биомедицинская диагностика. Лазеры на ближнем ИК излучении хорошо проникают в биологические ткани, что делает их подходящими для неинвазивной спектроскопии и фототерапии.
Связь. Возможность модуляции и генерации в телекоммуникационных диапазонах (1.3–1.5 мкм) позволяет использовать УНТ-лазеры в оптоволоконных сетях.
Квантовые технологии. Благодаря высокой когерентности и возможности излучения одиночных фотонов, УНТ-лазеры перспективны для квантовой криптографии и вычислений.

Современные достижения и перспективы развития

Существенным прорывом стало достижение электрической генерации в одиночных УНТ, интегрированных в кремниевые нанорезонаторы, с порогом накачки ниже 100 мкВт. Также активно развиваются технологии создания вертикальных лазеров, в которых УНТ интегрированы в многоуровневые гетероструктуры.

На переднем крае исследований находится:

создание массивов из УНТ с синфазной генерацией;
реализация каскадных переходов для расширения спектра излучения;
усиление взаимодействия света и материи с помощью гиперболических метаматериалов;
генерация сверхкоротких (пикосекундных и фемтосекундных) импульсов.

Использование углеродных нанотрубок как активной среды для лазеров открывает новое направление в нанофотонике, обеспечивая сочетание компактности, селективности спектра и возможности интеграции с современными наноэлектронными технологиями.