Фізики продемонстрували генерацію когерентного випромінювання органічним полімером при пропусканні через нього електричного струму. Побудована установка стала першим прототипом лазера на органічному напівпровіднику, що отримує енергію безпосередньо у вигляді електрики. Подальші поліпшення цієї технології дозволять отримати дешеві, налаштовувані і гнучкі лазери, пишуть вчені в журналі.
Основні особливості лазерного випромінювання - це просторова і тимчасова когерентність, тобто узгодженість коливань електромагнітних хвиль. Просторова когерентність дозволяє фокусувати таке випромінювання в невеликі області, а також забезпечує можливість колімації, тобто поширення на великі відстані у вигляді вузького променя без істотного розширення. Завдяки тимчасовій когерентності лазери можуть мати дуже вузький спектр, тобто здатні випромінювати в обмеженому діапазоні довжин хвиль, а також виробляти надкороткі імпульси.
У системах, що функціонують за законами квантової механіки, таких як атоми і молекули, елементи можуть володіти тільки певними значеннями енергії - перебувати на конкретних енергетичних рівнях. У звичайній ситуації чим нижче енергетичний рівень, тим вища його заселеність, тобто частка зайнятих станів. Однак можна підібрати умови, в яких не на основному рівні виявиться більше частинок, ніж було б в рівноважних умовах. Така ситуація називається інверсною заселеністю. Середовища з відповідними параметрами можуть виникати в природі - так виникає випромінювання космічних мазерів.
Випромінювання і поглинання на рівні окремої квантової системи можливе тільки на частотах, що відповідають енергії між різними рівнями. Наприклад, якщо електрон в атомі взаємодіє з фотоном, то він може його поглинути тільки в тому випадку, якщо енергія кванта світла дозволяє йому перейти на інший енергетичний рівень або достатня для подолання енергії зв'язку з ядром (іонізації). Якщо електрон знаходиться в збудженому стані, то при наявності вакантного стану на більш низькому рівні він з часом перейде на нього з випусканням фотона - цей процес називається мимовільним випромінюванням. Якщо безліч атомів знаходиться в однаковому збудженому стані, то вони будуть народжувати багато фотонів, але їх властивості (час появи, напрямок руху, фаза) будуть випадковими - це основа флуоресценції і теплового випромінювання.
Однак якщо збуджений електрон взаємодіє з фотоном, енергія якого відповідає допустимому переходу, то електрон з високою ймовірністю здійснює перехід, причому у з'являється фотона параметри будуть відповідати налітілій частинці. Цей квантовий процес називається вимушеним випромінюванням, він призводить до посилення падаючого випромінювання в середовищі і лежить в основі лазерного і мазерного випромінювань.
Для створення інверсної населеності в штучних середовищах використовується накачування - спеціальний вид передачі енергії. Залежно від конструкції лазера і його активного середовища, в якому відбувається генерація випромінювання, накачування може бути оптичним (падає світло), електричним, хімічним, ядерним, тепловим або механічним. З практичної точки зору найбільш зручна електрична накачка, тобто безпосереднє пропускання струму через підсилююче середовище.
Як активне середовище може виступати безліч речовин у різних видах. Існує твердотельні (кристали, скло, напівпровідники), газоподібні, рідкі (розчини барвників) і плазмові середовища. З практичної точки зору привабливий напівпровідниковий діод, в якому випромінювання породжується при переході не між рівнями в атомі, а між енергетичними зонами кристалічної решітки. Додаткові переваги можна отримати при використанні середовища на основі органічних речовин, для яких характерні широкі смуги поглинання, що дозволяє змінювати частоту породжуваного випромінювання.
До недавнього часу не існувало працюючого пристрою, комбінуючого всі перераховані вище особливості з прямим накачуванням електричним струмом. Були створені лазери на органічних діодах з оптичною накачкою, тобто працюють, якщо на них світити більш слабким випромінюванням іншого лазера, але вони не підходять для багатьох застосувань. Основна трудність при їх реалізації - необхідність створення дуже високих щільностей струму, близько сотень ампер на квадратний сантиметр, що призводить до значних втрат у подібних речовинах.
У роботі під керівництвом Тиха Адаті (Chihaya Adachi) з Університету Кюсю в Японії вперше описується робочий лазер на органічному діоді з накачуванням струмом. Як активне середовище використовувалася тонка плівка 4,4'-біс [(N-карбазол) стирив] дифеніла (BS^ z), який володіє невисоким електричним опором і низькими втратами від інших процесів. Однак одного використання відповідної речовини було недостатньо, тому вчені також імплементували схему лазера з розподіленою зворотним зв'язком у вигляді ізолюючої решітки поверх одного з електродів.
«Оптимізуючи ці решітки, ми змогли не тільки домогтися бажаних оптичних властивостей, але також контролю над струмом електрики в пристрої і мінімізації кількості сили струму, необхідної для появи посилення випромінювання в органічній тонкій плівці», - говорить Адаті.
Автори відзначають, що в останні роки було зроблено кілька повідомлень про успішну реалізацію подібного пристрою, але всі вони виявилися невірною інтерпретацією експериментальних даних, при аналізі яких не були враховані додаткові ефекти. Цього разу вчені впевнені, що переконалися у відсутності таких джерел помилки. Тепер дослідники збираються розробити на основі даної ідеї повноцінний пристрій, який буде одночасно нескладними у виробництві, дешевим, перебудовуваним (колір випромінювання можна змінювати), і при цьому буде допускати пряму інтеграцію з існуючими оптоелектронними схемами.
Раніше фізики розробили лазер на флуоресцентних білках медуз, охолодили звукову хвилю за допомогою лазера, виготовили дешевий нанолазер за допомогою перовскиту і кільцевих імпульсів і домоглися контролю над поширенням лазерного випромінювання крізь розсіювальне середовище.