Zvětšit obrázek

Diodový laser s pětimilimetrovým štěrbinovým vlnovodem vděčí za zvláštní vlastnosti polovodičovému materiálu získaného vrstvením india, galia a arsenu. (Kredit: Talbott/NIST)

Podobně jako všichni popularizátoři i v tomto článku jsme v názvu sklouzli k zavádějícímu termínu pulsů tmy. Je to samozřejmě hloupost, ale šíří se internetovým světem jako lavina. Na vině jsou sami autoři objevu, kteří tuto, za vlasy přitaženou formulku používají také. Navzdory zavádějícímu označení nejde o nic podřadného, dokládá to i publikace v prestižním časopisu Optics Express, který vydává Optical Society of America. Odborníci novému laseru „temných pulsů“, prorokují brzkou aplikaci v komunikačních systémech a měřící technice pracující v oblasti infračervené části spektra.

Nový typ laseru je také optický zdroj elektromagnetického záření, vyzařující světlo v úzkém svazku paprsků, které je, na rozdíl od obyčejného světla, koherentní a monochromatické. Pracuje ale s ultrakrátkými pulsy trvajícími pouhých 90 pikosekund (biliontin sekundy). Krátké trvání pulsů je v řadě případů pro praktickou aplikaci požehnáním. Nová metoda má navíc ještě jednu přednost – pracuje s temnými pulsy. Tma by měla být v tomto případě výhodou, nemůže totiž podlehnout zkreslení, jak tomu je u zařízení pracujících se světelným tokem, které rozhodí třeba fotoblesk.

Nový objev temných půlsů vděčí pokroku v nanotechnologii a kvantové mechaniky. V tomto světě, kde se pracuje i s jednotlivými ionty a elektrický proud dávkujeme po jednotlivých elektronech, platí jiné zákony, než na jaké jsme zvyklí. U popisu funkce nového typu laseru se neobejdeme bez termínu kvantová tečka (quantum dot). Jde o ohraničenou oblast polovodiče s rozměry plochy okolo 30 nanometrů a tlouštce vrstvy zhruba deset nanometrů. Jde o místo které má, na rozdíl od vodivého okolí, schopnost vázat elektrony. Umožňuje to ostrov nižší energie tohoto místa obklopený vyšší energií obvodového vodivostního pásu. Kvantové tečky (někdy nazývané kvantové body) mohou pracovat s jednotlivými fotony nebo elektrony a v ní uvězněné částice podléhají kvantovým pravidlům - mohou nabývat pouze diskretních hodnot. Můžeme to přirovnat k atomu a jeho slupkám ve kterých mohou elektrony obíhat. Proto se tečkám někdy říká „umělé atomy“. Jejich výroba je vzhledem k nanorozměrům komplikovaná a je k tomu potřeba zvládnout techniku zvanou optická litografie. V případě nového typu laseru jde o tečky vyrobené z několika monovrstev india, galia a arsenu. Výsledný materiál disponuje vlastnostmi, které dovolují vznik pulsům „temna“. Pulsy tmy jsou generovány laserovým polovodičovým rezonátorem přímo. Ne, že by něco podobného již předchůdci nedokázali, ale dosud k takovým výpadkům laserového světla bylo nutno zapojit elektrickou, či optickou modulaci. Nyní to jde přímo.

Zvětšit obrázek

Barevná křivka kopíruje produkci „záblesků tmy“. Světelný tok ustává pravidelně po uplynutí 2,5 nanosekund. (Kredit: Talbott/NIST)

Nový laser pochopitelně také generuje světelný záblesk. Produkují ho miliony kvantových teček, přičemž všechny vysílají světlo o shodné frekvenci. Novinka spočívá v rozdílu – zatímco u stávajících diodových laserů po emitaci světla, jejich kvantové částice získávají znovu energii rychle (přibližně v pikosekundě), v tomto případě jde o déle trvající proces. Rezonátor k tomu potřebuje čas dvěstěkrát delší. Laser po určité době dosáhne stabilního stavu a opakuje poklesy intenzity světelného toku, přičemž „chvíle tmy“ zabírají okolo 70 % doby světelného toku (pozadí).

Temné pulsy o nichž nyní svět populárních periodik hovoří jsou ve skutečnosti jen jakési díry nečinnosti, které laser má díky nestabilnímu vlnovému toku. Dokonce ani nejde o úplnou "tmu", protože z křivky je patrno, že emitace neklesá zcela na nulu. Pro zájemce, jenž by chtěli do problému proniknout hlouběji, uvádíme vstupní vzorec generovaných temných pulsů. V teorii vzniku pulsů se uplatňují nelinerání Schrödingerovy rovnice.

Jak rychle se lasery na bázi polovodičů pracujících s temnými pulsy, jimž se někdy říká diodové lasery pracující v pasivním uzavřeném režimu, uplatní v běžném životě je těžké předpovídat. Jedna z nejbližších aplikací má spatřit světlo světa v podobě nové generace atomových hodin pracujících s takzvanými optickými frekvencemi. Podle autorů objevu by ale využití mělo být mnohem širší a postupně by tyto lasery měly nahrazovat klasické lasery, jejichž výroba je komplikovanější a jsou dražší. Přístroje, v nichž je principem měření vzdálenosti, odečítání hodnot laboratorních testů a přenášení informací, by se tak mohly díky nové technologii brzo zlevnit.

Animace vzniku temného pulsu (smyčka se opakuje a v každém kroku světelný tok představuje 30 %,  tma 70 % času)

Pramen: Mingming Feng, Kevin L. Silverman, Richard P. Mirin, Steven T. Cundiff. Dark pulse quantum dot diode laser. Optics Express, 2010; 18