Главная » 2008»Декабрь»29 » Квантово-каскадный лазер перевернул все представления физиков
Квантово-каскадный лазер перевернул все представления физиков
05:41
Команда исследователей из Принстонского
университета сумела спроектировать совершенно новый тип лазера.
Открытие позволит наладить серийное производство более эффективных
лазеров. Практическое применение они получат, прежде всего, в сфере
лазерной хирургии и диагностики.
«Это открытие фактически привело к революции в физике лазеров»,
- говорит Клер Гмахл, лидер исследовательского коллектива. Гмахл,
специалист по электронике, раскрывает детали революционного устройства:
оно называется квантовым каскадным лазером и порождает лазерный луч при
пропускании электрического тока сквозь особый материал со сложной
структурой. При испытаниях устройства случайно обнаружили, что помимо
основного луча оно порождает и сопутствующий, вторичный луч, наделенный
весьма необычными свойствами и требующий меньших затрат электроэнергии.
«Если нам удастся избавиться от основного луча, то получится лазер
совершенно нового типа, гораздо более экономичный в плане энергозатрат», - говорит Гмахл.
Необычное устройство, в ходе испытаний которого обнаружился этот
эффект, было сконструировано Кейлом Францем, бывшим студентом,
преподавателем у которого долгое время была г-жа Гмахл. В создании
каскадного лазера ему помогал Стефан Менцель, выпускник Шеффилдского
университета. Он же и обнаружил загадочный второй луч в ходе
студенческих соревнований на ниве науки в Принстонском университете
прошлым летом.
Луч света, испускаемый лазером, своей природой в корне отличается от
света солнца, спички или электролампы. Если поставить на пути
солнечного света призму, и луч распадется на семь цветов радуги -
каждый из которых образован волнами длины, отличной от всех остальных
цветов. Достаточно лишь «смешать» заново волны разной длины вместе, и
вновь получится обычный «белый» свет. У лазера же луч состоит из волн
одинаковой длины. Это означает не только то, что на цвета радуги такой
луч разложить уже не получится, - ведь он по природе своей однороден, -
но и то, что он обладает совершенно уникальными свойствами.
Один из способов получить лазерный луч - пропустить электроток через
специфический вид полупроводника. В результате электроны внутри
полупроводника «перескакивают» на более высокий уровень энергии, а
потом, при определенных условиях, «спрыгивают» обратно. «Излишек»
энергии «убегает» в окружающее пространство в виде когерентного потока
фотонов, то есть световых волн одинаковой длины. По такому принципу
работают все виды устройств для чтения лазерных дисков, лазерные указки
и еще масса видов бытовой техники.
Каскадный же лазер, изобретенный в Принстоне, совсем крошечный. Он был
сконструирован при помощи нанотехнологий и вдесятеро тоньше
человеческого волоса. Длина устройства - три миллиметра. При этом
материал, из которого выполнено устройство, состоит из десятков слоев
различных полупроводящих материалов. Каждый слой - толщиной всего в
несколько атомов. По мере того, как «раскрученные» электроны теряют
энергию, они «прыгают» с одной ступеньки-слоя на другую, при каждом
сдвиге порождая световые волны единой длины.
Еще в 2007 году Гмахл, Франц и их коллеги опубликовали в одном из
научных журналов первое сообщение об обнаружении загадочного
сопутствующего луча с волнами несколько более короткой длины по
сравнению с основным лучом. Спустя почти год ученые признаются, что им
не удалось найти удовлетворительное объяснение этому явлению в рамках
существующих теорий функционирования каскадно-лазерных устройств. По
мере увеличения температуры полупроводника, сопутствующий луч
становился все сильнее и сильнее, правда, до определенного предела.
Обычные лазеры так себя не ведут. «Открыт совершенно новый механизм излучения световых волн полупроводником», - говорит Франц.
В отличие от обычных лазеров, излучение квантово-каскадных аналогов
находится в рамках инфракрасного спектра, что позволяет использовать
изобретение в медицине. Такой луч легко «нащупывает» в среде, через
которую пропускается, даже микроскопические количества паров, взвесей и
газов любых веществ, которые способны поглощать инфракрасное излучение.
Резюме
Данный
метод уже давно используется, когда необходимо обнаружить присутствие в
исследуемой среде каких-то специфических химических соединений,
например при диагностике организма человека или анализе воздуха на
наличие опасных веществ. Однако квантово-каскадные устройства во много
раз меньше своих предшественников. Крошечное устройство может,
например, вводиться прямо в организм пациента.
Главная 
Команда исследователей из Принстонского
университета сумела спроектировать совершенно новый тип лазера.
Открытие позволит наладить серийное производство более эффективных
лазеров. Практическое применение они получат, прежде всего, в сфере
лазерной хирургии и диагностики.
