Физики из России превратили лазер в карманный детектор ядов
. Физики из МФТИ, МГУ и Российского квантового центра выяснили, как можно использовать дешевый лазерный диод для создания сверхчувствительного карманного гаджета, способного искать следы ядов, определять химический состав напитков и находить опасных микробов в выдыхаемом воздухе. Принципы его работы были описаны в журнале Nature Photonics.
«Мы обнаружили, что даже в очень небольших оптических резонаторах могут самопроизвольно возникать очень стабильные световые импульсы. Их можно перестроить таким образом, переключая лазер, что останется только один из них. Спрос на такие лазеры будет очень высоким», – рассказывает Михаил Городецкий, научный директор РКЦ и профессор МГУ.
Лазерная карусель
Два года назад Городецкий и его коллеги создали компактное устройство, фотонный чип, который позволяет получать лазерный луч с необычным спектром, похожим на расческу или гребенку, для чего обычно применяется сложная, громоздкая и дорогостоящая система лазеров.
По словам физика, разработанная его группой технология позволит уменьшить этот прибор в «сто тысяч раз». Классическое устройство такого типа представляет собой коробку размерами метр на метр, а объем их компактного резонатора составит всего один кубический сантиметр.
Такие «гребенчатые» импульсы интересны ученым и инженерам из-за того, что они позволяют «конвертировать» сигналы из радиочастотной части спектра в оптический диапазон и наоборот, что поможет в разы улучшить точность GPS-приемников, часов, спектрометров и астрономических приборов. За открытие методики создания этой «гребенки» при помощи лазеров Джон Холл и Теодор Хэнш получили нобелевскую премию по физике 2005 года.
Основой этого прибора стал так называемый микрорезонатор. Если говорить просто, он представляет собой кольцо-«бублик» из особого материала, нитрида кремния или фторида магния, где свет движется по кругу, отражаясь от его стенок. Стенки этого прибора можно построить таким образом, что определенные импульсы будут усиливаться, а другие – гаситься, что и позволяет получать лазерные импульсы с «гребенчатым» спектром.
Сила самоорганизации
В прошлом, как отмечает Городецкий, его команда экспериментировала с «высококачественными» источниками лазерного излучения, способными вырабатывать очень «одноцветное» излучение. Их миниатюризация – достаточно сложное и дорогое занятие, и поэтому российские физики задумались о том, можно ли заменить их более дешевыми и компактными лазерными диодами.
«Для того чтобы сузить линию диодного лазера, его стабилизируют либо внешним резонатором, либо дифракционной решеткой. Это позволяет сузить полосу, но за это приходится расплачиваться сильным снижением мощности. О низкой цене и компактности тоже можно забыть», – объясняет Городецкий.
Российские физики смогли решить эту проблему, используя тот же самый микрорезонатор и набор линз. Оказалось, что подобные «бублики» могут автоматически стабилизировать излучение даже самых простых лазерных диодов с очень «широким» спектром излучения, если правильно подобрать длину волны и частоту импульсов. При этом мощность лазера не только не падает, но и вырастает за счет уничтожения лишних пиков в спектре и переноса их энергии на «главный» пик излучения.
Комбинация дешевых лазеров и оптических резонаторов, как отмечают ученые, позволит встроить очень чувствительные и надежные газоанализаторы и химические детекторы в смартфоны и другие гаджеты. Этими разработками уже давно заинтересовалась компания Samsung, в чьих телефонах в далеком будущем может появиться подобное устройство.
Помимо химического анализа, такие «гребенки» и производящие их резонаторы можно применять для создания компактных инструментов для орбитальных обсерваторий и прочих спутников, куда установить «обычную» лазерную установку невозможно из-за ее размеров и энергоаппетитов.