Из пыли DVD-дисков — в будущее оптики: российские физики создали материал, меняющий лазерный свет

Современная фотоника переживает стремительный рывок — российским ученым удалось добиться рекордного усиления лазерного излучения, используя материал, знакомый каждому по старым DVD-дискам. Исследователи из университета ИТМО совместно с Московским институтом электронной техники создали тончайшую пленку, которая способна преобразовывать лазерное излучение с эффективностью, недостижимой для предыдущих технологий. Это открытие обещает перевернуть подход к разработке лазерных систем, микроскопов и квантовых устройств.

Фото: Designed by Freepik by freepik is licensed under publik domain DVD диск Что открыли физики

Главное достижение исследователей — создание пленки из халькогенидного сплава германия, сурьмы и теллура (Ge₂Sb₂Te₅). Этот материал давно применялся в оптических носителях, таких как DVD-диски, благодаря способности "запоминать" фазу. Теперь его уникальные свойства нашли новое применение — в лазерной оптике.

Толщина новой пленки составляет всего 20 нанометров, что в десятки раз меньше толщины человеческого волоса. Несмотря на микроскопические размеры, устройство способно уменьшать длину волны лазерного луча втрое, превращая инфракрасное излучение в ультрафиолет. Этот процесс называется генерацией третьей гармоники — именно он лежит в основе множества технологий визуализации в медицине и биофотонике.

"Чем тоньше пленка в аморфной фазе, тем более эффективно происходит генерация", — пояснил аспирант университета ИТМО Даниил Литвинов.

Как работает новая технология

В основе изобретения лежит эффект фазового перехода. Под действием лазера сплав может менять структуру — переходить из аморфного состояния в кристаллическое и обратно.

При этом резко изменяются его оптические свойства в аморфной фазе материал активно преобразует свет, в кристаллической — генерация практически исчезает.

Таким образом, устройство можно включать и выключать, управляя прохождением света.

"В аморфном состоянии пленка преобразует инфракрасное излучение в третью гармонику с эффективностью 9x10⁻⁶", — отметил руководитель исследования Артем Синельник.

Эта эффективность превосходит существующие наноповерхности в 100-1000 раз, что делает разработку абсолютным рекордсменом в своей области.

Традиционные и новые источники третьей гармоники Параметр Традиционные системы Разработка ИТМО Толщина 400-600 нм 20 нм Размер установки До 0,5 м Микроскопический Эффективность 2-3% До 1000x выше Переключение фаз Нет Есть Скорость отклика Миллисекунды 10 наносекунд Почему это важно для науки и медицины

Эффект генерации третьей гармоники широко применяется в лазерных микроскопах — особенно при изучении живых клеток, где нельзя использовать красители. Чем короче длина волны излучения, тем выше разрешение и точность изображения. Новое устройство из ИТМО может заменить несколько громоздких лазерных источников, существенно упростив и удешевив оборудование.

Кроме того, компактность и стабильность пленки делают её идеальной для фотонных интегральных схем — ключевого элемента в системах квантовой связи и оптических вычислений будущего.

Советы шаг за шагом: применение технологии Биомедицина. Использовать устройство в лазерных микроскопах для исследования тканей без красителей. Фотонные чипы. Встраивать нанопленку в интегральные схемы для обработки световых сигналов. Оптические сенсоры. Применять для сверхточного анализа химического состава веществ. Квантовые коммуникации. Использовать для преобразования и передачи данных на световых частотах. Ошибка → Последствие → Альтернатива Ошибка: использование громоздких систем генерации гармоник. Последствие: потери энергии и низкая точность. Альтернатива: компактная пленка ИТМО толщиной 20 нм, в тысячи раз эффективнее. Ошибка: применение обычных метаповерхностей без фазового контроля. Последствие: невозможность точной настройки светового потока. Альтернатива: использование халькогенидного сплава с переключаемыми состояниями. Ошибка: игнорирование миниатюризации. Последствие: увеличение затрат на производство приборов. Альтернатива: интеграция нанопленки в микрооптические системы. А что если…

А что если такие пленки можно будет наносить на обычные оптические элементы — линзы, зеркала или даже камеры смартфонов? Тогда появятся миниатюрные спектроскопы и лазерные сенсоры, способные видеть на клеточном уровне. Разработка ИТМО — лишь первый шаг к этой реальности, но он уже открывает путь к фотонной электронике нового поколения.

Плюсы и минусы технологии Плюсы Минусы Рекордная эффективность преобразования Сложность промышленного внедрения Минимальная толщина Требуется высокоточное оборудование Переключаемость фаз Ограниченная стабильность при перегреве Подходит для квантовой фотоники Высокая стоимость на начальном этапе FAQ Как материал из DVD оказался полезен в науке?

Халькогенидный сплав, применявшийся в дисках для записи данных, обладает свойством изменять структуру под действием лазера — это свойство и используется в новой оптике.

Где можно применить эту технологию?

В медицинских сканерах, системах связи, квантовых компьютерах и микроскопах.

Чем она лучше существующих аналогов?

Пленка тоньше, быстрее и эффективнее в сотни раз, при этом сохраняет стабильность при миллионе циклов переключения.

Мифы и правда Миф: тонкие пленки не могут быть долговечными. Правда: разработка ИТМО выдерживает до миллиона циклов без деградации. Миф: генерация гармоники возможна только в громоздких установках. Правда: современные нанопленки позволяют достичь того же эффекта на площади микроскопа. Миф: dvd-технологии устарели. Правда: их материалы стали основой для новейших фотонных устройств. Исторический контекст

Халькогенидные сплавы впервые начали использовать в 1980-х для хранения информации на CD и DVD-дисках. Они могли "запоминать" лазерный сигнал, изменяя фазу структуры. Теперь, спустя сорок лет, тот же материал открывает новое направление — лазерную нанофотонику, где каждая частица света управляется с точностью до нанометра.

3 интересных факта Пленка толщиной 20 нм в 5000 раз тоньше человеческого волоса. Переключение фаз в материале занимает всего 10 наносекунд. Устройство может работать более миллиона циклов без потери свойств.

Используя материал из старых DVD-дисков, российские физики создали нанопленку, которая меняет длину волны лазерного луча в три раза эффективнее любых аналогов. Эта технология открывает путь к миниатюрным фотонным схемам и новым возможностям квантовой оптики будущего.

наука ученые  

Правда.Ру