Генерация высших гармоник субволновым диэлектрическим резонатором
Найден способ заставить наночастицы обычного полупроводникового материала излучать свет с частотой, в семь раз превышающей частоту посылаемого на него света. Был сгенерирован сине-фиолетовый свет из инфракрасного света, и теперь можно генерировать экстремальный ультрафиолетовый свет из красного света по тем же принципам. Исследование, проведенное учёными из Университета Брешии, Университета Аризоны и Университета Кореи, опубликовано в журнале Science Advances.
Входящий лазерный луч попадает на наночастицу, которая затем излучает свет более высокой частоты.
Предоставлено: Залогина и др. / Успехи науки, автор предоставил
Чем полезен высокочастотный свет? Чем выше частота света, тем короче его длина волны, а чем короче длина волны, тем мельче объекты и детали, которые можно увидеть с помощью света.
Таким образом, фиолетовый свет может показать вам более мелкие детали, чем, например, красный свет, потому что у него более короткая длина волны. Но чтобы увидеть очень, очень маленькие вещи — вплоть до масштаба миллиардных долей метра, что в тысячи раз меньше ширины человеческого волоса, — чтобы увидеть эти вещи, вам нужен экстремальный ультрафиолетовый свет (и хороший микроскоп).
Экстремальный ультрафиолетовый свет с длиной волны от 10 до 120 нанометров имеет множество применений в медицинской визуализации, изучении биологических объектов и расшифровке мелких деталей компьютерных чипов во время их производства. Однако производство небольших и доступных источников этого света было очень сложной задачей.
Мы нашли способ заставить наночастицы обычного полупроводникового материала излучать свет с частотой, в семь раз превышающей частоту посылаемого на него света. Мы генерировали сине-фиолетовый свет из инфракрасного света, и можно будет генерировать экстремальный ультрафиолетовый свет из красного света по тем же принципам. Наше исследование, проведенное с коллегами из Университета Брешии, Университета Аризоны и Университета Кореи, опубликовано в журнале Science Advances.
Сила гармоник
Наша система начинается с обычного лазера, излучающего длинноволновый инфракрасный свет. Это называется лазером накачки, и в этом нет ничего особенного — такие лазеры есть в продаже, они могут быть компактными и доступными.
Но затем мы стреляем короткими импульсами света из этого лазера в специально разработанную наночастицу материала, называемого арсенидом алюминия-галлия, и вот здесь все становится интереснее.
Наночастица поглощает энергию лазерных импульсов, а затем испускает собственную вспышку света. Тщательно подбирая размер и форму наночастиц, мы можем создавать мощные резонансы для усиления определенных гармоник излучаемого света.
Что именно это значит? Ну, мы можем провести полезную аналогию со звуком.
Когда вы дергаете струну на гитаре, она вибрирует с так называемой основной частотой, создающей основную ноту, которую вы слышите, плюс небольшое количество более высоких частот, называемых гармониками, что кратны основной частоте. Корпус гитары предназначен для создания резонансов, которые усиливают одни из этих гармоник и ослабляют другие, создавая общий звук, что вы слышите.
Гармоники в гитарной струне: на основной частоте длина волны равна длине всей струны, но в более высоких гармониках несколько более коротких длин волн укладываются в длину струны.
Предоставлено: Викимедиа / Y Landman
И свет, и звук имеют сходство в своей физике — обе они являются распространяющимися волнами (акустические волны в случае звука и электромагнитные волны в случае света).
В нашем источнике света лазер накачки подобен основной ноте струны, а наночастицы — корпусу гитары. За исключением того, что особенность наночастиц заключается в том, что они значительно усиливают эти высшие гармоники лазера накачки , производя свет с более высокой частотой (в нашем случае до семи раз выше, а длина волны соответственно в семь раз короче).
Для чего это нужно
Эта технология позволяет нам создавать новые источники света в частях электромагнитного спектра, таких как экстремальный ультрафиолет, где нет естественных источников света и где современные инженерные источники слишком велики или слишком дороги.
Обычные микроскопы, использующие видимый свет, могут изучать объекты только размером до десятимиллионной доли метра. Разрешение ограничено длиной волны света: фиолетовый свет имеет длину волны около 400 нанометров (один нанометр равен одной миллиардной части метра).
Но есть много приложений, таких как биологическое изображение и производство электроники, где способность видеть с точностью до миллиардной доли метра или около того была бы огромной помощью.
В настоящее время, чтобы видеть в этих масштабах, вам нужна микроскопия «сверхразрешения», которая позволяет вам видеть детали меньше, чем длина волны света, который вы используете, или электронные микроскопы, которые вообще не используют свет и создают изображение, используя поток электронов. Однако такие методы довольно медленные и дорогие.
Чтобы понять преимущества такого источника света, как наш, рассмотрим компьютерные чипы: они состоят из очень крошечных компонентов с размерами элементов почти до одной миллиардной доли метра. Во время производственного процесса производителям было бы полезно использовать экстремальный ультрафиолетовый свет для наблюдения за процессом в режиме реального времени.
Это позволит сэкономить ресурсы и время на некачественных партиях чипов. Масштабы отрасли таковы, что увеличение выхода чипов даже на 1% может сэкономить миллиарды долларов ежегодно.
В будущем наночастицы, подобные нашим, можно будет использовать для производства крошечных и недорогих источников экстремального ультрафиолетового света, освещающих мир очень маленьких вещей.
