Уменьшить лазер, сохранив его основные свойства, непросто. Главная трудность в разработке лазера размером 5−8 микрометров — в его устройстве. Они усиливают излучение внутри резонатора — структуры, где свет многократно отражается и усиливается. Поэтому чем компактнее лазер, тем сложнее удержать внутри него свет так, чтобы он многократно отражался, усиливался и не терял энергию. Это необходимо для его стабильности.
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.
Другая трудность — дефекты в материале. В лазерах используются кристаллы, усиливающие свет. Но при их выращивании возникают микроскопические дефекты, которые снижают эффективность генерации света. Чтобы проблем не было, ученые тщательно подбирают условия синтеза и заранее моделируют свойства кристаллов в разных режимах. Но зачастую действует правило: решение одной проблемы вызывает появление других. Поэтому разработка лазеров — это постоянный поиск баланса.
Ученые НИУ ВШЭ создали микролазеры диаметром всего 5−8 микрометров, работающие при комнатной температуре. Они использовали кристаллическую структуру, выращенную на кремниевой подложке. Она создана из соединений индия, галлия, азота и алюминия. А для удержания света в крошечном пространстве ученые применили эффект шепчущей галереи — акустического явления, при котором шепот в помещении хорошо распространяется вдоль стен, но не слышен в остальной части.
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.
Ранее в Мичиганском университете (США) начал работу один из самых мощных лазеров в мире — ZEUS, способный достигать пиковой мощности в 2 петаватта.
