ДИПОЛЬНЫЙ НАНОЛАЗЕР
DIPOLE NANOLASER

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструкции и работе полупроводниковых лазеров, и может быть использовано в системах записи, считывания и обработки информации.
Уровень техники
Известен способ генерации когерентного электромагнитного излучения (далее КЭМИ) [1], включающий накачку энергии в помещенную в резонатор для электромагнитного поля активную среду до уровня, когда возникает инверсная заселенность энергетических состояний активной среды, т.е. населенность ее состояний с большей энергией становится больше, чем населенность состояний с меньшей энергией, и при достижении определенного (порогового) значения населености верхнего энергетического состояния излучение указанных двухуровневых систем становится вынужденным и когерентным. Известно также устройство [2], в котором реализуется указный способ генерации КЭМИ - лазер на гетероструктурах, содержащий подложку с нанесенными на нее ультратонкими полупроводниковыми слоями с геометрией квантовых точек, помещенных в резонатор для КЭМИ, и электроконтактные пластины.
Недостатком данного лазера на гетероструктурах является достаточно большой размер указанного резонатора, который даже в пределе не может быть меньше длины волны КЭМИ, генерируемого данным лазером, а также недостаточно узкая ширина спектральной линии генерируемого КЭМИ.
Известен также дипольный нанолазер (ДНЛ) для генерации КЭМИ [3], состоящий из квантовой точки - двухуровневой системы и металлической или полупроводниковой наночастицы размерами меньше длины волны указанного излучения, помещенных в прозрачную среду на расстоянии друг от друга, меньшем длины волны указанного излучения, который выбран в качестве прототипа данного изобретения.
Недостатком указанного ДНЛ - прототипа является недостаточно высокая добротность его резонатора, роль которого исполняет указанная наночастица, возбуждаемая на частоте, близкой к частоте ее локализованного плазмонного резонанса (ЛПР), что затрудняет возбуждение ДНЛ. Существенной причиной, понижающей добротность указанного резонатора, являются потери энергии на излучение указанной наночастицы, резонансная дипольная мода колебаний которой возбуждается при работе ДНЛ.
Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка и повышение добротности резонатора дипольного нанолазера.
Указанная цель достигается за счет того, что указанный резонатор содержит дополнительно еще одну наночастицу, расположенную от указанной наночастицы и от указанной квантовой точки на расстояниях, меньших длины волны когерентного электромагнитного излучения, для генерации которого предназначен указанный нанолазер, причем, указанные наночастицы способны к возбуждению колективной дипольной моды колебаний, когда дипольные моменты наночастиц осциллируют «в противофазе» друг с другом на частоте указанного когерентного электромагнитного излучения, близкой к собственной частоте ЛПР указанных наночастиц.
Описание изобретения
Сущность заявляемого изобретения изложена в нижеследующем описании.
На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого дипольного нанолазера, где
1 - подложка,
2 - полупроводниковые ячейки с геометрией квантовых точек,
3 - прозрачный проводящий слой,
4 - металлические (или полупроводниковые) наночастицы,
5 - прозрачный проводящий слой,
6 - электроконтактные пластины,
7 - дипольный нанолазер.
Предлагаемый дипольный нанолазер, работает следующим образом. При подаче разности потенциалов между подложкой (1) и прозрачным проводящим слоем (5) между ними возникает электрический ток, за счет которого электроны в квантовых точках (например, островках InGaAs в ультратонком полупроводниковом слое, например, из In) попадают в верхнее энергетическое состояние квантовых точек и затем релаксируют на их нижнее состояние. Испускаемые при этом кванты электромагнитного излучения, вследствие диполь-дипольного взаимодействия между двухуровневой системой квантовой точки и двумя наночастицами (например, шарообразными, серебряными), расположенными на расстоянии, меньшем длины волны указанного излучения, и имеющими частоту плазмонного резонанса, близкую к частоте излучения двухуровневой системы, вызывают в указанных наночастицах колебания электронов с частотой, близкой к частоте указанного излучения, что приводит к гармоническим осцилляциям дипольных моментов указанных наночастиц. При этом, если геометрические формы и размеры указанных наночастиц достаточно близки и они выполнены из одинакового материала, т.е. если указанные наночастицы практически идентичны (например, шарообразные серебряные наночастицы), то из-за взаимодействия через ближнее поле в них могут возбуждаться две собственные моды осцилляции электронной плотности (поляризации) - «в фазе» и «в противофазе».
Заметим также, что способностью к возбуждению указанных мод осцилляции на резонансной частоте обладают не только идентичные наночастицы. Такой способностью обладают любые две наночастицы с близкими дипольными моментами, даже если они, например, выполнены из различных материалов. Но поскольку осцилляции «в фазе» сопровождаются значительными потерями энергии на излучение, то это понижает добротность резонатора ДНЛ, роль которого исполняют указанные две наночастицы. Также отметим, что осцилляции единичной наночастицы всегда сопровождаются значительными потерями энергии на излучение, что является недостатком известного нанолазера-прототипа.
Напротив, мода осцилляции «в противофазе» практически лишена потерь энергии на излучение (подобно тому, как это происходит в случае двух атомов [4]). Резонансное и селективное возбуждение моды осцилляции «в противофазе» обеспечивается тем, что частота этой моды отстроена от частоты другой моды, моды «в фазе», на величину энергии диполь-дипольного взаимодействия указанных наночастиц. При этом диполь-дипольное взаимодействие между двухуровневой системой указанной квантовой точки и указанной парой наночастиц вызывает положительную обратную связь между осцилляциями электронов указанных взаимодействующих объектов, т.е. чем больше амплитуда колебаний дипольных моментов указанных наночастиц, тем выше вероятность перехода электрона между энергетическими состояниями в двухуровневой системе указанной квантовой точки.
Дипольный нанолазер начинает работать при увеличении разности потенциалов между подложкой (1) и слоем (5), т.е. при увеличении скорости накачки до такой степени, что населенность верхнего энергетического состояния двухуровневой системы становится больше населенности ее нижнего энергетического состояния, т.е. наступает инверсия состояний двухуровневой системы, а скорость излучения двухуровневой системы становится больше скорости потерь излучения за счет поглощения в металлической частице. При выполнении этих условий возникает когерентное излучение в свободное пространство на частоте перехода двухуровневой системы квантовой точки, близкой к частоте ЛПР наночастиц.
Пример реализации предлагаемого изобретения
Предлагаемый дипольный нанолазер реализуют, например, в технологии его изготовления, подобной той, которая приведена в описании патента RU 2249278 [3]. А именно, на подложке (1) (см. фиг.1) из кремния выращивается структура-полуфабрикат с ультратонкими полупроводниковыми слоями (2), например, из InGaAs.
Затем в этой структуре-полуфабрикате методом боковых ограничений создаются элементы с геометрией квантовых точек подобно тому, как это сделано в работе [2], где периодически расположенные на расстоянии около 70 нм друг от друга островки InGaAs диаметром около 30 нм представляют собой указанные квантовые точки.
Затем указанная структура квантовых точек, находящихся на подложке (1), закрывается проводящим слоем (3), толщиной около 10 нм (заведомо меньше длины волны указанного когерентного электромагнитного излучения). После этого на указанный проводящий слой (3) наносятся заранее заготовленные эллипсоидальные или шарообразные серебряные наночастицы близких размеров и форм (4) с такой плотностью, чтобы среднее расстояние между указанными наночастицами было меньше длины волны указанного КЭМИ.
Далее, структура нанесенных на слой (3) наночастиц заращивается проводящим материалом (5), например золотом, прозрачным (из-за малой толщины) для генерируемого КЭМИ. При этом во многих местах изготовленного образца реализуется такая ситуация, что на расстояниях, меньших длины волны указанного КЭМИ, оказываются пары практически идентичных наночастиц, т.е. частиц, способных к возбуждению дипольных колебаний «в противофазе». При этом взаимное расположение наночастиц и квантовых точек оказывается меньше длины волны указанного КЭМИ так, что они могут сформировать предлагаемый нанолазер.
Чтобы обнаружить эти участки, между подложкой (1) и слоем из проводящего материала (5) создается разность потенциалов, которая увеличивается до момента, когда в различных участках появляется излучение КЭМИ, т.е. начинается лазерная генерация КЭМИ. Эти места фиксируются и вырезаются из приготовленного таким способом образца. На поверхности вырезанных фрагментов наносятся электроконтактные пластины (6). Каждый такой фрагмент (7) и является предлагаемым дипольным нанолазером.
Источники информации
1. X.Кейси, М.Паниш, Лазеры на гетероструктурах, Мир, М., 1976 г.
2. Чельный А.А., Кобяков М.Ш., Симаков В.А., Елисеев П.Г., Патент RU 2168249.
3. Займидорога О.А., Проценко И.Е., Самойлов В.Н., Патент RU 2249278.
4. Проценко И.Е., ЖЭТФ, 103, 167 (2006).