НАНОЛА́ЗЕР

НАНОЛА́ЗЕР, кван­то­вый ге­не­ра­тор ко­ге­рент­но­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в ви­ди­мом и ИК-диа­па­зо­не длин волн с раз­ме­ра­ми мень­ше или мно­го мень­ше дли­ны вол­ны. Как и обыч­ный ла­зер, Н. со­сто­ит из ре­зо­на­то­ра и ак­тив­ной сре­ды. Од­на­ко в обыч­ном ла­зе­ре ис­поль­зу­ют от­кры­тый ре­зо­на­тор, раз­ме­ры ко­то­ро­го зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ют дли­ну вол­ны ла­зер­но­го из­лу­че­ния. Са­мый ма­лень­кий по раз­ме­ру ла­зер, ра­бо­таю­щий, напр., в ком­пь­ю­те­рах для чте­ния и за­пи­си дис­ков, в оп­тич. ли­ни­ях свя­зи, име­ет суб­мил­ли­мет­ро­вые раз­ме­ры.

Н. име­ет ряд прин­ци­пи­аль­ных от­ли­чий от обыч­но­го ла­зе­ра. В ре­зо­на­то­ре обыч­но­го ла­зе­ра об­ра­зу­ет­ся стоя­чая вол­на све­то­во­го по­ля (ла­зер­но­го из­лу­че­ния). В ре­зо­на­то­ре Н. соз­да­ют­ся ус­ло­вия для стоя­чей вол­ны т. н. ло­ка­ли­зо­ван­но­го плаз­мо­на. По­след­ний пред­став­ля­ет со­бой свя­зан­ное со­стоя­ние по­ля и ко­ле­ба­ний элек­трон­ной плаз­мы ме­тал­ла, из ко­то­ро­го со­сто­ит плаз­мон­ный ре­зо­на­тор – ме­тал­лич. час­ти­ца раз­ме­ром в неск. на­но­мет­ров. Стро­го го­во­ря, для су­ще­ст­во­ва­ния плаз­мо­на час­ти­ца не обя­за­тель­но долж­на со­сто­ять из ме­тал­ла – не­об­хо­ди­мым ус­ло­ви­ем су­ще­ст­во­ва­ния плаз­мо­на яв­ля­ет­ся от­ри­ца­тель­ность дей­ст­ви­тель­ной час­ти по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния ве­ще­ст­ва на­но­ре­зо­на­то­ра. Т. о., роль элек­тро­маг­нит­но­го по­ля в ре­зо­на­то­ре обыч­но­го ла­зе­ра в слу­чае Н. иг­ра­ет плаз­мон.

Вто­рая осо­бен­ность Н. со­сто­ит в том, что ак­тив­ная сре­да в обыч­ном ла­зе­ре на­хо­дит­ся внут­ри ре­зо­на­то­ра, а в Н. она на­хо­дит­ся вне плаз­мон­но­го ре­зо­на­то­ра. В обыч­ном ла­зе­ре про­ис­хо­дит пе­ре­кач­ка энер­гии в оп­тич. из­лу­че­ние, а в Н. энер­гия транс­фор­ми­ру­ет­ся в плаз­мон­ные ко­ле­ба­ния.

Доб­рот­ность на­но­ре­зо­на­то­ра, за­ви­ся­щая от оми­че­ских по­терь, зна­чи­тель­но (до 10–100 раз) мень­ше доб­рот­но­сти тра­ди­ци­он­ных ре­зо­на­то­ров, за­ви­ся­щей от по­терь на из­лу­че­ние. По­сколь­ку доб­рот­ность (на­ря­ду с др. фак­то­ра­ми) оп­ре­де­ля­ет ко­ге­рент­ность вы­ход­но­го из­лу­че­ния, ко­ге­рент­ность ко­ле­ба­ний Н. не мо­жет быть вы­со­кой.

Третье от­ли­чие Н. от обыч­но­го лазера за­клю­ча­ет­ся в том, что свой­ст­ва ак­тив­ной сре­ды Н. су­ще­ст­вен­но ме­ня­ют­ся под вли­я­ни­ем на­но­ре­зо­на­то­ра. Для мо­ле­кул ак­тив­ной сре­ды, ко­то­рые оп­ти­че­ски свя­за­ны с на­но­ре­зо­на­то­ром, ве­ро­ят­ность спон­тан­но­го пе­ре­хо­да с воз­бу­ж­дён­но­го уров­ня ока­зы­ва­ет­ся за­мет­но (до не­сколь­ких со­тен раз) вы­ше, чем для тех же мо­ле­кул в воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии, но без влия­ния на­но­ре­зо­на­то­ра. Этот эф­фект свя­зан с из­ме­не­ни­ем плот­но­сти со­стоя­ний по­ля вбли­зи на­но­ре­зо­на­то­ра (эф­фект Пар­сел­ла); ко­эф. умень­ше­ния вре­ме­ни жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния на­зы­ва­ют ко­эф. Пар­сел­ла.

Чет­вёр­тое от­ли­чие со­сто­ит в том, что Н., бу­ду­чи ге­не­ра­то­ром ко­ге­рент­но­го элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, мо­жет не быть эф­фек­тив­ным из­лу­ча­те­лем. В за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ной то­по­ло­гии на­но­ре­зо­на­тор мо­жет об­ла­дать собств. мо­да­ми, сла­бо свя­зан­ны­ми с мо­да­ми даль­ней зо­ны элек­тро­маг­нит­но­го по­ля, – т. н. тём­ные, или квад­ру­поль­ные, мо­ды. Ге­не­ра­ция та­ких мод – уни­каль­ное свой­ст­во Н., ко­то­рое мо­жет ис­поль­зо­вать­ся в оп­то­элек­трон­ных чи­пах, сверх­плот­ных уст­рой­ст­вах па­мя­ти, а так­же в сен­со­рах разл. ти­па.

Тео­ре­тич. ос­но­вы функ­цио­ни­ро­ва­ния и воз­мож­ные пре­иму­ще­ст­ва сис­те­мы типа Н. рас­смат­ри­ва­ли Д. Берг­ман (Из­ра­иль) и М. Сто­кман (США) в 2003; они пред­ло­жи­ли на­звать та­кую сис­те­му спа­зе­ром [от англ. SPASER – Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation (уси­ле­ние по­верх­но­ст­ных плаз­мо­нов с по­мо­щью ин­ду­ци­ро­ван­но­го из­лу­че­ния)]. По­хо­жая сис­те­ма, на­зван­ная ди­поль­ным ла­зе­ром, тео­ре­ти­че­ски рас­смот­ре­на в 2004 И. Е. Про­цен­ко и др. В 2008 Н. И. Же­лу­дев и др. пред­ло­жи­ли ис­поль­зо­вать двух­раз­мер­ную мат­ри­цу Н. в ка­че­ст­ве ис­точ­ни­ка про­стран­ст­вен­но­го и вре­мен­но́го ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния; та­кая схе­ма бы­ла на­зва­на Lasing Spaser. Впер­вые экс­пе­рим. ре­зуль­та­ты, ин­тер­пре­ти­ро­ван­ные ав­то­ра­ми как ге­не­ра­ция Н., бы­ли опуб­ли­ко­ва­ны М. А. Но­ги­но­вым и др. в 2009. В этом экс­пе­ри­мен­те Н. со­сто­ял из зо­ло­то­го ша­ри­ка диа­мет­ром 14 нм в ро­ли плаз­мон­но­го ре­зо­на­то­ра, на ко­то­рый бы­ла на­не­се­на обо­лоч­ка из плав­лен­но­го квар­ца, до­пи­ро­ван­но­го мо­ле­ку­ла­ми кра­си­те­ля в ка­че­ст­ве ак­тив­ной сре­ды. На­ря­ду с оп­тич. на­кач­кой воз­мож­ность на­кач­ки Н. элек­трон­ным пуч­ком бы­ла про­де­мон­ст­ри­ро­ва­на экс­пе­ри­мен­таль­но А. И. Де­ни­сю­ком в 2009.

Н. мож­но ис­поль­зо­вать как ис­точ­ник ко­ге­рент­но­го из­лу­че­ния в сис­те­мах сверх­плот­ной об­ра­бот­ки ин­фор­ма­ции, как ис­точ­ник све­та для бес­фо­но­вой спек­тро­ско­пии, в ка­че­ст­ве ак­тив­но­го эле­мен­та в разл. сен­со­рах. Для на­но­фо­то­ни­ки изо­бре­те­ние Н. по сте­пе­ни важ­но­сти срав­ни­мо с изо­бре­те­ни­ем ла­зе­ра для обыч­ной оп­ти­ки.