Ученые университета ИТМО вместе с коллегами из Московского института электронной техники разработали рекордно тонкое устройство, способное уменьшать длину волны лазерного луча в три раза.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Laser & Photonics Reviews, специалисты рассказали, что новая технология, основанная на пленке из халькогенидного сплава толщиной всего 20 нм, в 100−1000 раз эффективнее существующих наноустройств.
Генерация гармоники — это процесс, при котором свет, проходя через специальный материал, меняет свою длину волны. Например, невидимый инфракрасный луч после генерации третьей гармоники превращается в ультрафиолетовый. Этот эффект широко используется в лазерных сканирующих микроскопах для исследования биологических тканей и клеток, позволяя изучать их структуру без применения токсичных красителей.
До сих пор эффективных и компактных источников третьей гармоники не существовало. В индустрии применяются громоздкие системы размером до полуметра, эффективность которых не превышает 2−3%. Разрабатываемые в лабораториях нанометровые устройства также не решали проблему из-за крайне низкой производительности.
Секрет разработки российских ученых заключается в тонкой пленке из сплава германия, сурьмы и теллура (Ge₂Sb₂Te₅), известного по использованию в DVD-дисках. Этот материал обладает фазовой памятью, под действием лазера он может обратимо переключать свое состояние с аморфного на кристаллическое, кардинально меняя оптические свойства.
Как объяснил руководитель исследования Артем Синельник, в аморфном состоянии пленка преобразует инфракрасное излучение в третью гармонику с эффективностью 9 × 10⁻⁶ в широком диапазоне видимого спектра, что в сотни и тысячи раз превосходит показатели аналогов. При переходе в кристаллическую фазу генерация практически исчезает, что позволяет «включать» и «выключать» устройство.
Высокая эффективность разработки напрямую связана с ее компактностью. Толщина самой пленки составляет всего 20 нм, а вместе с подложкой оборудование не толще человеческого волоса (около 180−200 мкм). Для сравнения, аналогичные решения на основе метаповерхностей имеют толщину 400−600 нм.
Чем тоньше пленка в аморфной фазе, тем более эффективно происходит генерация. Благодаря такой особенности наша разработка попадает в тренд на миниатюризацию прикладных устройств.
Новый источник третьей гармоники способен заменить сразу несколько излучателей в лазерных микроскопах, что позволит повысить разрешение изображений. Ученые отмечают, что разработка выдерживает до миллиона циклов переключения, а сам процесс занимает всего 10 наносекунд. Эта уникальная способность может стать основой для фотонных интегральных схем, обрабатывающих оптические сигналы в системах квантовой коммуникации будущего.
Ранее Наука Mail сообщала, что российские ученые улучшили метод фотоакустической микроскопии для изучения трехмерных органоидов мозга.
