Са́зер ( англ. saser , сокр. от Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation , также называется звуковым , фононным или акустическим лазером ) — генератор когерентных звуковых волн определённой частоты . Обычно частота излучения сазера лежит в области от нескольких МГц до 1 ТГц . Устройство получило своё название по аналогии с лазером ( англ. laser — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ).

Принцип работы

Принцип работы сазера аналогичен принципу работы лазера . В некой многочастичной системе с двумя уровнями энергии накачкой создаётся инверсная разность населённостей, так что большинство частиц находится в состоянии с большей энергией. В результате спонтанного перехода часть частиц переходит из верхнего состояния в нижнее с испусканием кванта звуковой волны — фонона . Сгенерированные таким образом фононы стимулируют вынужденные переходы остальных частиц системы с испусканием фононов полностью аналогичных затравочным. В результате генерируется поток идентичных фононов, воспринимаемых на макроуровне как когерентная акустическая волна. Несмотря на сходный принцип работы, существует несколько различных типов сазеров, отличающихся типом активной среды .

Фононный лазер на оптических резонаторах

Активной средой в данном лазере являются два связанных оптических резонатора , частоты которых отличаются на небольшую величину. Резонатор с большой частотой накачивается лазерным излучением. Фотоны в этом резонаторе имеют энергию больше, чем в соседнем, и, следовательно, способны понизить свою частоту, перейдя во второй резонатор с испусканием кванта звуковых колебаний. Частота генерируемого акустического излучения определяется разностью частот двух оптических резонаторов. Этот механизм может рассматриваться также как , в котором роль волны накачки выполняет излучение в первом резонаторе, роль сигнальной волны — акустическое излучение, а роль холостой волны — излучение во втором резонаторе. Альтернативно этот же процесс можно описать как вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна , то есть как неупругое взаимодействие фотона с атомом с испусканием фотона меньшей частоты и фонона .

Сазер на оптических резонаторах впервые реализован в 2010 году экспериментальной группой из Калтеха . Было получено излучение на частоте 21 МГц.

Фононный лазер на электронных каскадах

Принцип работы такого фононного лазера аналогичен работе квантового каскадного лазера . В качестве активной среды в таком лазере используется полупроводник со сверхрешёткой . При этом сверхрешётка устроена таким образом, что электроны, находящиеся в соседних квантовых ямах, имеют слегка различные энергии, и их энергия монотонно уменьшается в одном из направлений. В этом случае возможно туннелирование электрона из одной квантовой ямы в соседнюю с испусканием фонона. При наличии затравочного фонона нужной частоты это туннелирование может быть вынужденным, таким образом реализуется идея лазерного усиления звукового излучения — при распространении звука вдоль решётки происходит каскадное туннелирование электронов с увеличением количества фононов .

Сазер на электронных каскадах был впервые реализован в 2010 году экспериментаторами из Ноттингема . В эксперименте наблюдалось усиление излучения частотой 441 ГГц. Экспериментов по генерации излучения проведено не было. Следует отметить, что первые попытки этой группы по созданию сазера относятся ещё к 2006 году , но тогда они не смогли убедительно доказать наличие усиления .

Преимущества

По сравнению с оптическими лазерами фононные лазеры той же частоты обладают значительно меньшей длиной волны , что позволяет проводить значительно более точные измерения и получать более чёткие изображения. Также малая длина волны позволяет проводить фокусировку излучения в меньший объём, что приводит к более высокой концентрации энергии в точке фокуса. По сравнению с обычными источниками излучения фононные лазеры могут генерировать излучения значительно более высоких частот. Так, например, пьезоэлектрические источники не работают на частотах выше нескольких десятков гигагерц, в то время как фононные лазеры могут обладать частотами порядка частот оптического излучения .

Применение

Сазеры обладают рядом уникальных свойств, в частности малой длиной волны излучения и высокой проникающей способностью, которые определяют их потенциальную область применения. Например, сазеры терагерцового диапазона генерируют волну длиной порядка 1 нм . Принимая во внимание, что звуковые волны могут распространяться на значительную глубину внутрь твёрдых тел , такое излучение может быть использовано для получения трёхмерных изображений наноструктур. Помимо этого излучение сазеров может быть использовано для создания периодических структур в толще полупроводника, тем самым модулируя его оптические или электронные свойства. При этом структура может быстро изменяться, исчезать и возникать снова. Это свойство может быть использовано для создания сверхбыстрых переключателей или для генерации терагерцового электромагнитного излучения — что на данный момент является сложной технической задачей .

Примечания