Физические принципы работы графеновых лазеров
Графен — двумерная модификация углерода с толщиной в один атом, обладающая уникальными электрооптическими свойствами, делает возможным реализацию принципиально новых типов лазеров. Его линейный, беззазорный энергетический спектр, высокая подвижность носителей заряда, широкий диапазон оптического поглощения и возможность инверсии населённостей открывают широкие перспективы в создании компактных, быстродействующих и настраиваемых лазеров нового поколения.
Одной из ключевых особенностей графена является его универсальное оптическое поглощение — около 2.3% падающего излучения в широком диапазоне длин волн. Несмотря на столь малую толщину, это значение является чрезвычайно высоким. В условиях внешнего накачивания возможно достижение инверсии населённостей за счёт быстрой релаксации носителей на фемтосекундных временах. Такая ультракороткая динамика делает графен идеальным кандидатом для реализации лазеров на основе несбалансированных переходов.
Механизмы усиления и инверсии населённости в графене
Формирование инверсии населённостей в графене осуществляется за счёт оптической или электрической накачки, вызывающей перераспределение носителей между зонами проводимости и валентной зоной. При этом поглощённые фотоны возбуждают электрон-дырочные пары, которые затем быстро термализуются и могут образовывать неравновесную квазичастичную плазму. В условиях высокой плотности носителей и при наличии положительной кривизны зависимости плотности состояний возможно достижение устойчивого усиления.
Однако классические двухуровневые модели в графене не применимы ввиду особенностей его энергетического спектра. Усиление здесь реализуется за счёт широкополосных переходов в линейной дисперсии, что даёт возможность генерировать импульсы с широкой спектральной полосой, включая ТГц-диапазон, инфракрасный, ближний ИК и даже видимый спектр.
Структурные реализации графеновых лазеров
Одним из основных направлений разработки графеновых лазеров является встраивание графена в резонаторные структуры, включая:
В большинстве таких реализаций графен играет роль активной среды усиления или электрооптического элемента, обеспечивающего управляемость частотной характеристики и генерации импульсов.
Генерация в терагерцовом диапазоне
Графен демонстрирует исключительно высокую эффективность усиления в терагерцовом (ТГц) диапазоне за счёт высокой плотности состояний вблизи точки Дирака, а также способности формировать плазмонные возбуждения с низкими потерями. Реализованные прототипы графеновых ТГц-лазеров демонстрируют поверхностно-плазмонное усиление, где коллективные колебания носителей на границе графен/диэлектрик индуцируют излучение на частотах 0.1–10 ТГц.
Особую роль здесь играет механизм черенковского идущего усиления, когда скорость дрейфа носителей в графене (при приложении внешнего поля) превышает фазовую скорость плазмонов, что приводит к самогенерации и росту их амплитуды. Это направление активно развивается в создании компактных ТГц-источников для спектроскопии, биомедицины и безопасности.
Графен как элемент модуляции и добротности
Кроме активной генерации, графен может использоваться в качестве настраиваемого элемента добротности (Q-фактора) лазерного резонатора. Изменяя химический потенциал (например, с помощью затвора), можно управлять уровнем поглощения и рефрактивного отклика графенового слоя. Это даёт возможность реализовывать активное Q-модулирование, генерацию коротких импульсов и быструю перестройку частоты.
Также графен эффективен как элемент насыщаемого поглотителя — благодаря высокой нелинейности и быстродействию. Такие структуры особенно востребованы в лазерах на основе волоконных резонаторов и твердотельных кристаллов. Насыщаемое поглощение графена может инициировать самопроизвольное формирование фемтосекундных солитонов, что делает его важным компонентом в ультракороткоимпульсных лазерах.
Физические ограничения и проблемы
Несмотря на выдающиеся свойства графена, существуют и ряд фундаментальных и технологических ограничений:
Перспективы развития графеновых лазеров
Исследования показывают, что внедрение графена в лазерные технологии может привести к революции в создании интегральных фотонных схем, гибких и прозрачных лазеров, настраиваемых ТГц-источников, а также к созданию сверхширокополосных источников когерентного света. Возможность контролировать свойства графена электрическим и оптическим образом делает его особенно перспективным для лазеров с программируемыми характеристиками, в том числе для применения в квантовых коммуникациях и фотонных компьютерах.
Гибридизация графена с другими двумерными материалами, например, MoS₂ или WS₂, открывает новые горизонты в создании мультислойных гетероструктур с настраиваемым спектром генерации и улучшенной эффективностью. Разработка и массовое производство таких структур являются предметом интенсивных научных и технологических исследований.