Учёные впервые продемонстрировали лазер на фотонном кристалле, работающий при комнатной температуре

Автор: IEEE Photonics Journal (2025). DOI: 10.1109/JPHOT.2025.3561087

Впервые в истории исследователям из Инженерного колледжа Грейнджера Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне удалось добиться фотонной накачки лазера на основе фотонного кристалла, работающего при комнатной температуре на безопасной для глаз длине волны. Результаты, опубликованные в IEEE Photonics Journal, улучшают современные конструкции лазеров и открывают новые возможности для оборонных применений.

Лаборатория Кента Чокета, профессора электротехники и вычислительной техники, десятилетиями изучала VCSEL — тип поверхностно-излучающих лазеров, используемых в смартфонах, лазерных принтерах, сканерах штрих-кодов и даже автомобилях. Однако в начале 2020 года команда заинтересовалась революционными исследованиями японской группы, представившей новый тип лазеров — PCSEL (photonic-crystal surface-emitting lasers).

PCSEL — это новое поколение полупроводниковых лазеров, использующих слой фотонного кристалла для создания луча с высокой яркостью и узким круглым пятном. Такие лазеры перспективны для оборонных применений, включая LiDAR — технологию дистанционного зондирования для картографирования, навигации и отслеживания целей. При поддержке Лаборатории исследований ВВС США группа Чокета начала изучать эту технологию.

«Мы уверены, что PCSEL станут крайне важны в будущем, — говорит Эрин Рафтери, аспирантка и ведущий автор исследования. — Пока они не достигли промышленной зрелости, и мы хотели внести свой вклад».

Обычно PCSEL создают с воздушными полостями, которые встраиваются в устройство после повторного роста полупроводникового материала. Однако атомы полупроводника стремятся заполнить эти полости, нарушая структуру фотонного кристалла. Чтобы решить проблему, инженеры заменили воздушные полости твёрдым диэлектриком — диоксидом кремния, сохранив целостность кристалла.

«Когда мы впервые попробовали вырастить диэлектрик, даже не знали, возможно ли это, — признаётся Рафтери. — Но нам удалось добиться роста полупроводника вокруг диэлектрика».

Ожидается, что в ближайшие 20 лет усовершенствованные PCSEL найдут применение в беспилотных автомобилях, лазерной резке, сварке и космической связи. Сейчас команда работает над добавлением электрических контактов, чтобы лазер можно было подключать к источнику тока.

Подробнее: E. M. Raftery et al, Photopumped Buried Dielectric Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers, IEEE Photonics Journal (2025). DOI: 10.1109/JPHOT.2025.3561087