Ученые ИТМО разработали рекордно тонкое устройство, которое уменьшает длину волны лазерного луча в три раза. Этот процесс, известный как генерация третьей гармоники, теперь стал эффективнее благодаря пленке из халькогенидного сплава толщиной всего 20 нанометров. Она генерирует излучение в широком диапазоне длин волн без усиления нанорезонаторами и показывает результат в 100-1000 раз лучше аналогичных наноустройств. Разработка будет полезна для исследования тканей и клеток в лазерных сканирующих микроскопах и обработки сигналов в фотонных интегральных схемах для квантовой коммуникации. Исследование опубликовано в журнале Laser & Photonics Reviews.

^{Оптическая установка для генерации третей гармоники и её детектирования. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

Генерация гармоники — процесс в нелинейной оптике, при котором лазер проходит через нелинейный кристалл и длина волны света уменьшается. Порядок гармоники определяет, во сколько раз длина волны уменьшилась: если в два раза — получилась вторая гармоника, если в три — третья. Например, невидимый глазу инфракрасный луч с длиной волны 1064 нанометров после генерации второй гармоники становится видимым зеленым светом с длиной волны 532 нанометра, а после генерации третьей гармоники — невидимым ультрафиолетовым лучом с длиной волны 341 нанометр.

Генерация третьей гармоники используется в биофотонике и медицине. Сверхкороткие ультрафиолетовые импульсы возбуждают флуоресценцию биологических тканей и клеток. Так ученые исследуют их структуру без введения красителей на разных лазерных сканирующих микроскопах.

Однако пока не существует эффективных источников генерации третьей гармоники. Чтобы ее имитировать, в индустрии используют дорогие и большие (до полуметра в ширину) многоволновые системы. Лазерный луч и сгенерированная от него вторая гармоника одновременно проходят через нелинейный кристалл, их частоты суммируются, и в итоге получается длина волны равная третьей гармонике. Однако эффективность генерации крайне низкая — только 2–3% от исходного луча превращаются в третью гармонику. Разные исследовательские группы также разрабатывают нанометровые источники генерации третьей гармоники на основе резонансных метаповерхностей, но их эффективность тоже очень мала.

Ученые Нового физтеха ИТМО вместе с исследователями Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» создали переключаемый и компактный источник третьей гармоники, который работает в 100–1000 раз эффективнее аналогичных нанометровых устройств. Секрет разработки — в тонких пленках из халькогенидного сплава германия, сурьмы и теллура (Ge2Sb2Te5, или GST). Ранее этот материал получил широкую известность благодаря его применению в DVD-дисках и элементах оптической памяти. Его особенность в фазовой памяти: под действием лазера пленки из GST переключают свое агрегатное состояние с аморфного на кристаллическое и обратно и меняют оптические свойства.

«Обычно для создания источника генерации третьей гармоники используют разные 2D-материалы или метаповерхности. Но если сделать из них резонансные наноструктуры для усиления интенсивности генерации, все равно эффективность будет низкой — от 10 в минус 11 степени до 10 в минус седьмой степени в зависимости от материала. Мы предлагаем тонкую пленку из сплава германия, сурьмы и теллура, которая благодаря своим свойствам в 100-1000 раз эффективнее генерирует третью гармонику без нанорезонаторов, чем аналогичные нанометровые устройства с резонаторами. В аморфной фазе пленка с эффективностью в 9×10 в минус шестой степени преобразует инфракрасное излучение в третью гармонику в широком диапазоне видимого спектра — от фиолетового до оранжевого (349–615 нанометров). При этом в кристаллической фазе оптические свойства пленки сильно меняются, и генерация становится менее заметной, пока не исчезает», — объяснил руководитель исследования, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Артем Синельник.

Достичь высокой эффективности генерации третьей гармоники получилось также за счет размеров устройства. Оно достаточно компактно: толщина самой пленки — 20 нанометров, а вместе с подложкой — около 180–200 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса.

«Толщина устройств на основе других метаповерхностей достигает примерно 400–600 нанометров. Наши пленки — 20 нанометров. Причем на эффективность работы влияет толщина: чем тоньше пленка в аморфной фазе, тем более эффективно происходит генерация. Благодаря такой особенности наша разработка попадает в тренд на миниатюризацию прикладных устройств», — подчеркнул один из авторов исследования, аспирант Нового физтеха ИТМО Даниил Литвинов.

Компактное и высокоэффективное устройство для генерации третьей гармоники потенциально может заменить несколько источников излучения в лазерных сканирующих микроскопах и повысить разрешение изображения. Также генерация гармоники в зависимости от фазы пленки может служить методом кодирования информации: единица — генерация гармоники в аморфной фазе, и ноль — отсутствие генерации в кристаллической. По словам ученых, переключаться между фазами можно до миллиона раз и за сверхкороткое время — 10 наносекунд. Эту способность в перспективе можно использовать для фотонных интегральных схем, которые обрабатывают оптические сигналы в квантовых коммуникациях.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» и грантом РНФ №24-72-10038.