Физики создали лазер, который находит утечки метана

Российские физики разработали лазер для выявления утечек метана. Он представляет собой диск микроскопических размеров, который действует в инфракрасном диапазоне. Диаметр лазера всего 0,05 мм — это примерно как половина толщины человеческого волоса.

Лазеры с инфракрасным излучением могут решать широкий спектр задач — например, экологического мониторинга, медицинской диагностики, химического анализа и, в частности, поиска утечек метана в шахтах и на газопроводах. Но пока этих приборов недостаточно из-за сложности производства и высокой себестоимости. Ученые разработали прототип инструмента, который в будущем сможет стать техническим решением, внедренным в производство.

«Важное преимущество созданного нами межзонного лазера в том, что его конструкция позволяет, меняя температуру рабочей среды, настраивать длину волны излучения в широком диапазоне, необходимом для проведения химического анализа, диагностики и молекулярной спектроскопии. Квантово-каскадные и оптоволоконные лазеры такой широкой возможности не дают»,— объяснил доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института физики микроструктур РАН Сергей Морозов.

Именно функция перестраиваемости лазера позволяет быстро определять утечку метана на газопроводах, в шахтах и подземных сооружениях.

Для этого на одном конце помещения или трассы трубопровода светит лазер на длине волны 3,2 мкм (одна из длин, подходящих для поглощения метана), а на другом конце его излучение фиксирует детектор и выдает сигнал в вольтах. Если на пути свечения лазера возникает утечка метана, то газ поглощает его излучение и сигнал на детекторе уменьшается.

Структура лазера многослойна, основу составляет тройное полупроводниковое соединение кадмий—ртуть—теллур. Это один из немногих подходящих полупроводников для генерации излучения среднего инфракрасного диапазона. Фотоны инфракрасного излучения, то есть лазерное излучение, генерируются в активной области лазера — квантовых ямах.

Полупроводниковый материал для лазера был выращен в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН, а лазер создан в Институте физики микроструктур РАН. Ученые провели исследование совместно.

«Активная среда лазера содержит несколько узких квантовых ям толщиной 3–4 нанометра на основе теллурида ртути. Именно в них возможна генерация нужного межзонного излучения в диапазоне 3,8–4,7 микрона. Но чтобы сделать лазер, излучение нужно поместить в резонатор. Для этого мы рассчитали и изготовили микродисковую конструкцию лазерного резонатора на “модах шепчущей галереи”. Таким образом, излучение усиливается путем многократного отражения от стенок диска. Микродиск был изготовлен с помощью ионного травления и безмасочной литографии, при этом нам удалось добиться нужных параметров, не ухудшив свойства исходного материала»,— рассказал Сергей Морозов.

«Моды шепчущей галереи» — это эффект эхо в круглых помещениях, когда звук отражается от стен и образует стоячую звуковую волну. По такому принципу ученые спроектировали микродисковый резонатор, но не для звуковых волн, а для инфракрасного излучения.

Специалисты Института физики полупроводников отмечают, что физические характеристики материала играют ключевую роль для работы лазера. Потому полупроводниковый материал для основы лазера они вырастили высокотехнологичным методом молекулярно-лучевой эпитаксии, который позволяет тщательно контролировать его состав и толщину — в буквальном смысле на уровне атомов.

«Профиль распределения состава каждой квантовой ямы строго выдержан. Кроме того, ямы должны быть идентичны, а в полупроводниковой структуре, которая использовалась при разработке лазера, таких ям тринадцать. В нашем институте отработана технология контролируемого выращивания квантовых ям на основе теллурида кадмия ртути и запатентован способ контроля толщины и состава с помощью эллипсометрических измерений. Мы можем выращивать структуры даже с большим числом квантовых ям — от 40 до 50. Больше никто в мире не умеет контролируемо выращивать такие структуры»,— объясняет старший научный сотрудник Института физики полупроводников СО РАН, кандидат физико-математических наук Николай Михайлов.

Созданию лазера предшествовала длительная совместная работа нижегородских и новосибирских физиков.

«Мы последовательно оптимизировали дизайн и технологию роста структур: добились низкого содержания кадмия в квантовых ямах до нескольких процентов, разработали методику контроля профиля распределения состава в квантовых ямах нанометрового размера»,— добавил Николай Михайлов.

Исследование проведено в ходе реализации крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», поддержанного Минобрнауки России. Результаты работы опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки