Острота проблемы создания сверхкоротковолновых ультрафиолетовых лазеров очевидна далеко не каждому человеку науки, не говоря уже о широкой публике. Тем не менее, на сегодняшний день ситуация такова, что без разработки метода генерации коротковолновых световых импульсов человечеству трудно будет добиться дальнейшего продвижения как во многих областях науки, так и в технике.
Коротковолновый лазер с длиной волны 5–50 нанометров может найти свое применение в новых видах оптической микроскопии и литографии высокого разрешения, необходимой для создания микро- и наноэлектроники нового поколения. Кроме того, этот диапазон ультрафиолетового света очень перспективен в спектроскопических методах анализа вещества.
Однако для массового потребителя сокращение длины волны лазера всегда связано с увеличением ёмкости оптических запоминающих устройств – компакт-дисков, DVD и так далее.
Например, суть широко разрекламированной технологии Blue Ray, удвоившей ёмкость DVD-накопителей, на деле сводится к замене длинноволнового лазера коротковолновым – красного на синий. Конечно, к этим изменениям добавляется уйма других технических усовершенствований, однако основа именно в почти двукратном уменьшении длины волны считывающего луча. Длина волны сверхкоротковолнового УФ-излучения в десятки и сотни раз меньше той, что используется в Blue Ray, и это позволяет надеяться на десятки и сотни фильмов в формате высокого разрешения, умещающиеся на одном диске.
(англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, «Усиление света с помощью вынужденного излучения») – устройство, использующее квантовомеханический эффект вынужденного (стимулированного) излучения для создания когерентного потока света. Луч лазера может быть непрерывным, с постоянной амплитудой, или импульсным, достигающим экстремально больших пиковых мощностей. Во многих конструкциях рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. Усиленный сигнал очень точно совпадает с исходным по длине волны, фазе и поляризации, что очень важно в устройствах оптической связи.
Явление вынужденного излучения, существование и свойства которого на основе чисто термодинамических принципов предсказал Альберт Эйнштейна, заключается в большей вероятности перехода атома с одного уровня энергии на другой в присутствии электромагнитной волны той же частоты, которая соответствует данному переходу. При этом излучаемая при переходе электромагнитная волна будет иметь ту же фазу и поляризацию, что и вынуждающая. Таким образом, если искусственно «заселить» верхние уровни энергии в атомах среды, то волна нужной частоты будет значительно усилена при прохождении этой среды. Для искусственного заселения требуется дополнительный подвод энергии – так называемая накачка.
Некоторые типы лазеров, например жидкостные лазеры на растворах красителей или полихроматические твердотельные лазеры, могут генерировать целый набор частот (мод оптического резонатора) в широком спектральном диапазоне; это свойство делает возможной генерацию сверхкоротких импульсов порядка нескольких фемтосекунд (10−15 с) с помощью синхронизации мод. Принцип работы таких лазеров не отличается от описанного выше, просто вместо уровней энергии отдельных атомов здесь используются энергетические уровни и зоны твёрдого тела.
Высвобожденные в ходе этого процесса электроны захватываются слабым электромагнитным полем, колебания которого заставляют электроны вновь соударяться с ионизированными атомами инертного газа, образовывать нейтральные атомы и выделять излишки энергии в виде коротковолнового ультрафиолетового излучения. Так формируются аттосекундные (одна аттосекунда – 10--18 с, миллиардная доля миллиардной доли секунды) импульсы коротковолнового излучения, которые применимы сами по себе в метрологических приложениях, когда есть необходимость измерять очень короткие временные промежутки.
Любой периодический процесс может быть разложен на так называемые гармоники – синусоидальные сигналы с частотами, кратными основной частоте, определяемой периодом исходного процесса. При этом высокие гармоники присутствуют в любом периодическом сигнале, за исключением строго синусоидального, где все эти гармоники, кроме первой, основной, имеют нулевую амплитуду.
Выделение высоких гармоник с отфильтровыванием низких позволяет получать колебания высокой частоты из низкочастотных колебаний. В случае электромагнитного излучения область науки, изучающая такие процессы, называется нелинейной оптикой.
Для применения импульсов в научных приложениях из этого спектра нужно отфильтровать все гармоники, кроме самой высокой коротковолновой.
Ультрафиолетовые лазеры, работающие по такой технологии, в настоящее время очень дороги и громоздки из-за необходимости создания отдельного блока усиления световых импульсов. Для нужд науки и технологий, микро- и наноэлектроники такие лазеры должны стоить разумные деньги и умещаться на рабочем столе. До последнего времени мало кто верил, что такое возможно, однако группа корейских ученых подарила всему миру надежду в своей статье, опубликованной в последнем номере журнала Nature.
Как это часто бывает в последнее время, научный переворот совершили нанотехнологии.
Учёные предложили инновационную методику получения мощных электромагнитных колебаний при помощи массива наноразмерных частиц золота, сложенных на подложке попарно и образующих узор наподобие галстука-бабочки.
Такой орнамент был необходим для усиления первичного возбуждающего излучения обычного титаново-сапфирового лазера с длиной волны излучения около 800 нанометров.
Секрет ученых лежит в использовании размерно-геометрического эффекта в поведении так называемых плазмонов – квазичастиц, отвечающих квантованию коллективных колебаний свободного электронного газа на поверхности металла. Если поверхность металла подвергнуть воздействию светового излучения нужной частоты, поверхностные плазмоны входят в резонанс, резко увеличивая локальную интенсивность колебаний по сравнению с возбуждающим излучением.
Поверхностные плазмоны, так же называемые в научной литературе поверхностные плазменные полярионы есть не что иное, как флуктуации электронной плотности на границе между двумя материалами. Плазмоны – коллективные вибрации газа электронов вокруг узлов кристаллической решетки твердого тела. При взаимодействии с фотоном формируется другая квазичастица – полярион. Этот полярион распространяется по поверхности, пока не распадется либо по механизму колебательного перехода с отдачей энергии квазичастицам фононам, описывающим колебания кристаллической решетки, или по механизму излучательного перехода с испусканием фотона.
Усиление интенсивности электромагнитного излучения зависит от ряда параметров резонанса плазмонов наночастиц. Некоторого дополнительного усиления корейским специалистам удалось добиться с помощью геометрических эффектов. Первый из них реализуется в узких, толщиной около 20 нанометров, зазорах между наночастицами, где происходит сильная локализация оптической энергии, приводящая к формированию так называемых гэп-плазмонов (от англ. gap — промежуток).
Второй геометрический эффект носит название эффекта громоотвода и заключается в концентрации энергии колебаний плазмонов в районе острия конических наносчастиц. Именно геометрия частиц, выработанная в ходе продолжительной теоретической работы, и обусловила успех научной группы профессора Сын Ву Кима из Корейского института передовых наук и технологий – конические наночастицы, повернутые друг к другу остриями, позволили добиться кумулятивного эффекта усиления электромагнитного излучения.
Теоретически усиление энергии электромагнитного поля с помощью массива наноантенн может достигать десятков тысяч раз, однако внутренние потери оптического излучения в наночастицах золота, несовершенство их кристаллической структуры позволяют увеличить интенсивность только стократно. Однако и этого оказывается вполне достаточно.
Для генерации интенсивного сверхкоротковолнового ультрафиолетового излучения массив наноантенн золота помещается в поток инертного газа – аргона и далее все происходит аналогично современным установкам для получения сверхкоротковолнового лазерного излучения. Газ, проходящий в зазорах между остриями конических наноантенн, возбуждается и ионизируется, вслед за чем происходит быстрая рекомбинация с испусканием интенсивного электромагнитного излучения, спектр которого содержит множество гармоник, вплоть до 17-й гармоники с длиной волны 47 нанометров.
Эта длина волны лежит в диапазоне сверхкоротковолнового УФ-излучения и, таким образом, может быть достигнута с помощью излучения в 100 раз менее интенсивного, чем это требуется в современных установках.
Новый метод получения такого излучения позволяет существенно удешевить и упростить конструкцию сверхкоротковолновых ультрафиолетовых лазеров, сделать их менее энергоемкими и более компактными. Применение подобной технологии в промышленных процессах микроэлектроники уже не за горами, а в будущем её совершенствование вооружит ученых не только новыми методиками оптической спектроскопии и микроскопии, но и, возможно, позволит создать новые методы исследования на основе рентгеновского излучения. Возможно, когда-то технологию смогут попробовать и простые смертные, так как применение сверхкоротковолновых лазеров наверняка позволит создать высокоплотные оптические носители информации.
