|
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. Laserové módy – laserové vidy, stojaté vlny vybuzené aktivním prostředím laseru v optickém rezonátoru, tvořeném obvykle dvojicí odrazných ploch. U jednovidových laserů se aktivní prostředí v rezonátoru vybudí na poměrně přesně dané frekvenci, splňující podmínku celočíselného násobku polovin vlnových délek mezi odraznými plochami. Jelikož však aktivní prostředí laseru zesiluje v určitém pásmu frekvencí (například díky tepelnému pohybu částic, které pak vyzařují zesilované fotony na odlišné frekvenci v důsledku Dopplerova jevu), může být podmínka celočíselného násobku polovin vlnových délek splněna i pro další vlnové délky, které jsou v laseru zesilovány. Při dostatečně dlouhém rezonátoru se vybuzují stojaté vlny více vlnových délek rozmístěné rovnoběžně s osou rezonátoru, hovoříme o podélných módech. Příčné módy vznikají při dostatečně širokém aktivním prostředí díky vybuzení stojatých vln podél paprsků nakloněných vůči ose. Plazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. |
| Princip laseru |
Způsob, jakým klasický laser generuje záření, je znázorněn na obrázku níže. Laser ke své činnosti využívá aktivního prostředí s excitovanými atomy a jevu stimulované emise záření. Stimulovanou emisi lze zjednodušeně vysvětlit pomocí dvou principů. Prvním z nich je snaha atomů zaujmout stav s nejnižší energií. Druhým z nich je Boseho-Einsteinova statistika popisující chování fotonů (bosonů). Pokud je atom v excitovaném stavu ponechán svému osudu, dojde časem k jeho deexcitaci – tedy k přechodu do stavu s nižší energií a spontánnímu vyzáření fotonu. Jestliže ale excitovaný atom interaguje s jiným fotonem, dojde k jeho okamžité deexcitaci a emisi dalšího fotonu (stimulovaná emise). Tento případ může nastat pouze, pokud je energie „spouštěcího“ fotonu stejná jako rozdíl energie elektronu mezi excitovaným a základním stavem a pokud je atom v excitovaném stavu dostatečně dlouho, aby mohlo k srážce s fotonem dojít. Původ podmínky stejné energie je skryt v Boseho-Einsteinově statistice. Fotony (obecně bosony) mnohem raději obsazují stavy, kde se už nějaké fotony vyskytují. Stimulovaně emitovaný foton tak přejde do stejného stavu, jako „spouštěcí foton“ – má tedy stejnou energii, směr hybnosti i polarizaci díky čemuž má světlo laseru tak jedinečné vlastnosti.
Zdroj: Britannica
| Plazmonový laser |
Klasický laser nemůže mít libovolně malé rozměry. Aby optický rezonátor skutečně fungoval, musí mít rozměr alespoň poloviny vlnové délky, což odpovídá nejnižšímu optickému módu. Tato hranice se nazývá difrakční mez. Snahou vědců je vyvinout laser, jehož velikost bude rozměrově kompatibilní se stávajícími (opto) elektronickými součástkami. Tento požadavek splňuje plazmonový laser. Konstrukce plazmonového laseru je poněkud odlišná od konstrukce klasického laseru popsaného výše. Plasmonový laser obsahuje aktivní prostředí, které je vázáno na vodič. Elektrony při přechodu z excitovaných do základních stavů ale nevyzařují fotony. Jejich energie se využije na zformování povrchových plazmonů ve vodiči. Plazmony se časem rozpadají. Pokud se plazmon rozpadne, předá svoji energii zpět některému z atomů aktivního prostředí. Pokud je tento atom aktivního prostředí již předem excitovaný, je situace obdobná jako v případě klasického laseru, dojde ke stimulované emisi záření. Takováto vzájemná výměna energie je opět možná pouze, pokud je energie plazmonu shodná s energií atomu v excitovaném stavu. Protože plazmony jsou elektronové oscilace uvězněné v malém objemu, mají také své vlnové módy, které nejsou ovlivněny optickou difrakční mezí. Velikost rezonátoru plazmonového laseru není tedy přímo vázána na vlnovou délku elektromagnetického záření a může být až o dva řády nižší, než je difrakční mez. Koncept takového laseru byl teoreticky popsán v roce 2003, ale jeho realizaci komplikovala řada technických problémů, zejména velmi krátká doba života plazmonů.
Zdroj: arXiv
| První experimenty |
Problém krátké doby života plazmonů se podařilo vyřešit vědcům na Kalifornské univerzitě v Berkeley pomocí hybridního plazmonového vlnovodu. Struktura tohoto plazmonového laseru je na obrázku níže. Jako aktivní prostředí laseru slouží nanodrát vyrobený z polovodiče (CdS) o průměru 52 nm. Nanodrát je vázán na stříbrnou (elektricky vodivou) podložku přes tenkou (5 nm) vrstvu izolantu. Největším technologickým problémem bylo vytvoření právě této vrstvy a následné navázání nanodrátu. Tato struktura byla čerpána laserovým svazkem s vlnovou délkou 405 nm. Měřením spekra záření struktury byly zjištěny výrazné optické módy odpovídající setině difrakční meze. Takovéto optické módy není možné generovat v klasickém optickém rezonátoru popsaném výše, ale pouze pomocí přeměny energie fotonu na elektronové oscilace lokalizované ve velmi malém objemu. Pokud zvýšíme průměr nanodrátu, mohou se v něm vytvořit klasické laserové módy – tedy módy větší, než je difrakční mez. Tyto dva druhy módů je možné od sebe rozlišit, protože se liší polarizací. Tímto způsobem byla prokázána funkčnost plazmonového laseru.
Zdroj: Nature
Zdroj: Nature
Zdroj: Nature
| Závěr |
Potřeba lidí přenášet stále větší množství informací je hlavním faktorem určujícím trend vývoje (opto)elektronických součástek. Parametry elektronických polovodičových součástek se již dnes blíží fyzikálním hranicím, které nedovolí další zvyšování rychlosti a hustoty integrace. Přechod k ryze optickým technologiím je jednou z možností, jak posunout tyto hranice dále. Prokázání funkčnosti plazmonového laseru je významným krokem vpřed k výrobě optických integrovaných obvodů. Takové obvody nejsou pouze rychlejším ekvivalentem křemíkových obvodů, mohou nabídnout výrazně výhodnější vlastnosti například v rozsahu provozních teplot nebo radiační odolnosti. Výzkum zařízení využívající interakci elektromagnetických vln s povrchovými plazmony také přispívá k vývoji biomedicínských nanosenzorů, jejichž citlivost může dosáhnout molekulární úrovně.
Zdroje:
1. R. F. Oulton: Plasmon lasers at deep subwavelength scale, Nature 461, 629-632, 2009
2. S. Yang: World's smallest semiconductor laser heralds new era in optical science, UC Berkley News, 31 Aug 2009
3. M. I. Stockman: Spaser as Nanoscale Quantum Generator and Ultrafast Amplifier, arXiv:0908.3559v1, 2009
4. H. A. Jones-Bey: Plasmonic laser antenna sharpens nanovision, Laser Focus World 45/11, 2009
