Оптические свойства наностуктур

Наиболее известны из полученных таким способом искусственных кристаллов – фианиты, имя которым дал ФИАН. Сейчас в мире производится 2500–3000 тонн фианитов для технических целей и для ювелирной промышленности.

С помощью этой технологии создано много новых  огнеупорных, поликристаллических материалов, стекол, кристаллов, способных сохранять свои свойства в экстремальных условиях активной зоны лазера. В холодном тигле этим методом был получен и совершенно наноструктурированный материал на основе диоксида церкония с некоторыми примесями. Это очень современный, интересный материал, обладающий уникальными свойствами – особо прочный, износостойкий, биологически инертный.

· У него тоже есть название?

Не слишком  благозвучное. Частично стабилизированный  диоксид циркония – пока так. Воспроизвести его еще не удалось никому. Фундаментальные исследования взаимодействия высокочастотных полей с различными веществами, в том числе с расплавами, привели к созданию технологии прямого высокочастотного плавления в холодных тиглях и получению в качестве конечного продукта нового материала. Вот так спустя десятилетия мы вышли на получение материалов, к которым применима приставка «нано».

Интересное направление  – получение активных кристаллических  элементов не в виде монокристаллов, а в виде оптически прозрачной нанокристаллической керамики путем компактирования исходных нанопорошков, то есть, минуя их расплавление и выращивание из расплава кристаллов. В этом направлении успешно работают японские коллеги – они получили оксидные наноматериалы, которые являются хорошими материалами для лазеров.

Мы пошли по другому пути – создали впервые  в мире оптическую нанокерамику из других классов оптических материалов – фторидов, которые имеют целый ряд преимуществ по сравнению с оксидами. Наша нанокерамика дает отличные лазерные параметры, высокий КПД.

Еще одно направление, в котором тесно переплелись  фундаментальные исследования и высокие технологии и которое мы активно развиваем, – создание и исследование нанокластеров в лазерных кристаллах и стеклах. Они представляют собой кристаллические стеклообразные вещества, содержащие активные примеси ионов редкоземельных элементов – таких, как неодим, иттербий, эрбий. Именно они обеспечивают генерационные способности лазурных сред – определяют спектр излучения, поглощение их или длительность излучения, то есть все лазерные параметры определяются этими активными центрами – ионами примесных элементов.

Оказалось, можно  заставить примесные ионы образовывать нанокластеры, причем строго определенной формы. Мы научились направленно регулировать структуру и состав кластеров, наделяя их особыми свойствами.

Еще одно направление  нашей работы связано с изучением  оптических свойств наночастиц.

У наноматериалов много других загадок. Одна из них  – способность наночастиц к самоорганизации. Такие частицы очень активны, они притягиваются друг к другу, как бы слипаются, а при нагревании могут даже образовать сплошную среду. Так, кстати, и появилась оптическая нанокерамика.

Не имеют аналогов в мире наши «циркониевые» скальпели. С их помощью стали возможны такие тонкие операции в нейрохирургии, сосудистой, детской кардиохирургии, которые раньше были просто невозможны. Режущую кромку циркониевого скальпеля можно заточить до 40-500 ангстрем. Металлический скальпель такой заточки не выдержит. Кроме того, металл нередко вызывает осложнения – появляются спайки, тромбы, рубцы. Наш скальпель не дает таких осложнений, поскольку диоксид циркония биологически инертен. Разрезы быстро заживают, ведь скальпель как бы раздвигает ткань, а затем края раны слипаются.

Волоконные  лазеры

Существенное  усовершенствование волоконных лазеров произошло в течение последних десяти лет, и теперь они составляют серьезную конкуренцию твердотельным лазерам. Волоконные лазеры представляют большой интерес для исследователей и инженеров. Волноводные свойства, присущие оптическим волокнам, позволяют использовать активное волокно длиной десятков и даже сотен метров. От волокна с одной сердцевиной можно получить оптическую мощность, превышающую один киловатт [22].

Для некоторых  применений бывает необходимо интегрировать лазеры в виде компактных устройств. Иногда требуется получить узкий спектр генерации или добиться генерации в одночастотном режиме. Для таких целей необходимы волоконные лазеры на коротком волокне, обладающие большой выходной мощностью на единицу длины. Как показывают последние исследования, компактные волоконные лазеры высокой мощности по своим характеристикам являются потенциальными конкурентами твердотельных лазеров, созданных по традиционным технологиям на основе полупроводниковых диодов, а также кристаллов или керамики, активированных редкоземельными элементами.

В результате наличия  большого количества различных активаторов и соактиваторов волоконные лазеры могут генерировать на большом количестве длин волн от видимой до ИК области спектра, при этом для их накачки можно использовать излучения различных длин волн (рис. 2.1).

По ряду причин волоконные лазеры являются особенно интересными для создания мощных источников лазерного излучения. Резонаторы таких лазеров просты и надежны. Они изготавливаются штамповкой и не требуют юстировки, что обусловливает исключительную надежность и минимальные затраты на эксплуатацию и обслуживание. Эти привлекательные черты нет необходимости обеспечивать за счет рабочих характеристик.

 Волоконные  лазеры генерируют пучки с дифракционной расходимостью и обладают самой высокой эффективностью «от розетки» среди конкурирующих систем.

К тому же нет  необходимости для лазерного пучка покидать волновод. Энергия может быть направлена к конечной цели по гибкому оптическому волокну. Присущая таким лазерам волноводная структура делает их стойкими к термооптическим искажениям, таким как термическая линза, и обеспечивает наилучшим образом одномодовую генерацию в непрерывном режиме.

Волоконные лазеры были созданы еще в 1963 году [9], однако модели, альтернативные традиционным лазерам, появились только около 20 лет тому назад. Первые волоконные лазеры мощностью в несколько ватт появились примерно в 1990 году после изобретения волоконных брэгговских решеток и реализации схем многомодовой накачки [10]. Естественным образом быстрое улучшение рабочих характеристик волоконных лазеров было связано с успехами в технологии волоконных усилителей на активированном эрбием волокне, предназначенных для систем связи [22].

Короткие  волоконные лазеры.

В большинстве  современных волоконных лазеров используются длинные (метровые) резонаторы. Лазеры на волокне сантиметрового размера, обладающие рядом преимуществ, также находят применение. Например, короткие волоконные лазеры могут быть интегрированы на микросхеме или на маленькой плате и использованы в виде матрицы. К тому же, когда необходима одночастотная генерация, длинные волоконные лазеры становятся нестабильными из-за трудности выбора одной частоты на фоне близко расположенных продольных мод.

По этим причинам лазеры на волокне с короткой длиной обычно накачиваются в сердцевину одномодовым излучением лазерных диодов очень слабой мощности. Выходная мощность лазеров на волокне из фосфатного стекла сантиметровой длины при этом составляет 100 мВт [11]. Одночастотные волоконные лазеры на коротком волокне с узкой линией генерации применяются для дистанционного зондирования и в качестве задающих генераторов лазеров для усилителей и систем сведения пучков. Недавно было показано, что лазеры на сантиметровом волокне специальной конструкции могут обладать выходной мощностью порядка 10 Вт [22]. 

Эти лазеры накачиваются многомодовыми полупроводниковыми лазерными диодами через D-образную оболочку. Такая конфигурация волокна позволяет увеличить поглощение излучения накачки. Однако при таких рекордных мощностях (более 1,3 Вт на сантиметр волокна) проявляются тепловые эффекты, и активное охлаждение становится необходимым.

Более гибким способом является использование недавно разработанных микроструктурированных волокон, обладающих переменным двумерным профилем показателя преломления в пределах сердцевины волокна. Кроме волоконных лазеров, микроструктурированные оптические волокна применяются во многих других областях, поэтому их технология быстро совершенствуется [16].

Использование микроструктурированных воздушно-стеклянных волокон, которые иногда также называют «дырчатыми», делает конструирование волоконных лазеров более гибким (рис. 2.2). В таких волокнах существует периодическая решетка воздушных отверстий по сечению волокна. Будучи сконструированы должным образом, такого рода структуры могут обеспечить необычные волноводные свойства, включая одномодовую генерацию при большом размере моды, чего невозможно достичь на обычном волокне со ступенчатым изменением показателя преломления. При введении редкоземельного активатора в сердцевину были реализованы лазеры на микроструктурированном волокне. Специальная разработка системы с большой площадью моды позволила получить выходную мощность 80 Вт при использовании микроструктурированного кварцевого волокна с длиной 2,3 м. 

Рис. 2.2. Схема  лазера с биполярным соединением, квантово-каскадного лазера,  
лабораторного лазера с элементом Пельтье 

Квантово-каскадные  лазеры могут теперь работать в непрерывном одночастотном режиме с большой мощностью и при комнатной температуре (рис. 2.2). Этот прогресс имеет большое число применений, включая медицинский анализ дыхания и мониторинг окружающей среды.

Отклонение  света назад

Если свет входит в специально сконструированные  материалы, так называемые метаматериалы, то при определенных условиях он отклонится в направлении, противоположном тому, в котором он бы отклонился в естественной среде. Такие уникальные искусственные материалы ученые часто называют материалами-левшами, левосторонними материалами или материалами с отрицательным показателем преломления (МОПП). Впервые искусственный материал с отрицательным показателем преломления был продемонстрирован в 2000 г., и с тех пор метаматериалы привлекают большой интерес исследователей благодаря возможности их применения в разных областях. Например, на их основе возможна разработка плоской суперлинзы для видимой области спектра, которая по сравнению с обычными линзами будет обладать сверхвысоким разрешением, превосходящим дифракционный предел.

Впервые вышеупомянутая концепция появилась 40 лет назад. Ее автором является Виктор Веселаго. Он предположил возможность существования материалов, для которых диэлектрическая и магнитная проницаемости являются одновременно отрицательными величинами (e < 0, m < 0). Эта идея была встречена скептически. Реализация таких МОПП казалась нереальной из-за того, что для обычных материалов не существует области перекрытия магнитного и электрического резонансов. Фундаментальные процессы, ответственные за электрический и магнитный отклик, обычно возникают в разных частотных областях, что делает перекрытие этих областей невозможным. Однако эту трудность удастся преодолеть путем создания искусственных структурированных метаматериалов, в которых атомы и молекулы исходного вещества заменены макроскопическими включениями. Метаматериалы следует сконструировать таким образом, чтобы электрический и магнитный резонансы можно было бы настраивать по отдельности в пределах от ближней радиочастотной до видимой области.

Как показали дальнейшие теоретические и экспериментальные  исследования, отрицательная рефракция действительно возможна. Фактически разработка МОПП для микроволновой области дошла до того, что сейчас ученые и инженеры уже интенсивно пробуют применить их в ПК области. В то же время разработка МОПП, пригодных для более высокочастотной области, находится на ранней стадии, относящейся к отработке технологии изготовления и исследования характеристик.

Другим способом получения отрицательного показателя преломления является использование фотонных кристаллов (ФК). ФК можно изготовить только из диэлектрических материалов и, в принципе, получить более низкие потери в высокочастотной и даже видимой области. Успехи в конструировании метаматериалов для микроволновой области привели к желанию создать суперлинзы по измененной технологии. При этом возник интерес к разработке материалов с отрицательным коэффициентом преломления в видимой области.

Работая над  этой проблемой, группы исследователей под руководством Соуколиса (Soukoulis) и Озбэя (Ozbay) исследовали кристаллы с фотонной запрещенной зоной. Это – искусственные материалы, способные пропускать свет на всех частотах электромагнитного спектра, и поэтому в них существуют чередующиеся области с разными показателями преломления.

В настоящее  время ученые только что приступили к изучению применения отрицательной рефракции в микроволновой области. Но хотя эти исследования еще не закончены, ряд физиков сосредоточил свои усилия на видимой области спектра.