Способ генерации лазерного излучения капельным микролазером Российский патент 2025 года по МПК H01S3/06 H01S3/20 

Изобретение предназначено для производства капельных микролазеров, а точнее, для разработки передовых фотонных устройств благодаря их способности усиливать взаимодействие света и материи на микромасштабе, для разработки миниатюрных источников света, а также биологических и химических датчиков, для реализации фотонных штрих-кодов и меток, для использования в приложениях по борьбе с подделками и мультиплексных биоанализах, для разработки биолазеров.

Современная технология для производства микроэлектронных и оптоэлектронных схем позволяет осуществлять эффективное производство микролазеров. Диодные полупроводниковые микролазеры известны особенно широко, поскольку они представляют собой наиболее часто используемый тип лазеров. Что касается типа резонатора, основными типами полупроводящих слоев являются лазер Фабри-Перо, лазер с распределенной обратной связью (distributed feedback, DFB) и полупроводниковые лазеры на вертикальных резонаторах (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL).

Кроме того, известны способы производства микролазеров на основе микрорезонаторов типа «шепчущей галереи» (МШГ). В этом случае, в качестве оптических резонаторов могут использоваться небольшие прозрачные шарики или капельки. Если показатель преломления среды внутри капельки является большим, чем показатель преломления внешней среды, свет может полностью отражаться от границы назад в капельку. В этом случае, мы получаем круговые орбиты света, отражающегося много раз и полностью от поверхности, и выходящего назад в той же точке. Если длина орбиты равна нескольким длинам волн, то возникает режим резонанса, и капелька начинает функционировать как оптический микрорезонатор.

Как правило, источник света в резонаторе представляет собой просто флуоресцентный краситель, диспергированный в капельке и накачанный внешним светом. Спектр света, испускаемого капелькой, включает резонансные максимумы, соответствующие круговым резонансным орбитам. Если капелька возбуждена импульсным лазером, и краситель является таким, что он демонстрирует эффект стимулированного излучения, порог для режима генерирования лазера превышается. Теперь, резонатор испускает одно- или многомодовый свет.

Известны оптические микрорезонаторы, состоящих из капель в жидкой фазе, которые естественным образом создаются и подвешиваются под действием гравитации, благодаря межфазным силам и в которых возбуждаются моды шепчущей галереи [Antonio Giorgini, Saverio Avino, Pietro Malara, Paolo De Natale and Gianluca Gagliardi. Liquid Droplet Microresonators // Sensors2019, 19, 473; doi: 10.3390/s19030473].

Из-за интерференции между модами разных порядков и пространственного распределения могут появляться резонансы Фано [Ballard Z., Baaske M.D., Vollmer F. Stand-Off Biodetection with Free-Space Coupled Asymmetric Microsphere Cavities // Sensors 2015, 15, 8968-8980; Chiba A., Fujiwara H., Hotta J., Takeuchi S., Sasaki K. Fano resonance in a multimode tapered fiber coupled with a microspherical cavity // Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 261106].

Известен эффект усиления света в сферических капелях при возникновении МШГ, например, [H. M. Tzeng, K. F. Wall, M. B. Long, and R. K. Chang, Laser emission from individual droplets at wavelengths corresponding to morphology-dependent resonances // J. Opt. Lett. 9(11), 499-501 (1984); H. M. Tzeng, K. F. Wall, M. B. Long, and R. K. Chang, Evaporation and condensation rates of liquid droplets deduced from structure resonances in the fluorescence spectra // J. Opt. Lett. 9(7), 273-275 (1984); H. M. Tzeng, M. B. Long, R. K. Chang, and P. W. Barber. Laser-induced shape distortions of flowing droplets deduced from morphology-dependent resonances in fluorescence spectra // J. Opt. Lett. 10(5), 209-211 (1985); S. K. Y. Tang, Z. Li, A. R. Abate, J. J. Agresti, D. A. Weitz, D. Psaltis, and G. M. Whitesides. A multi-color fast-switching microfluidic droplet dye laser // J. Lab Chip 9(19), 2767-2771 (2009); J. Schäfer, J. P. Mondia, R. Sharma, Z. H. Lu, A. S. Susha, A. L. Rogach, and L. J. Wang. Quantum dot microdrop laser // J. Nano Lett. 8(6), 1709-1712 (2008); S. X. Qian, J. B. Snow, H. M. Tzeng, and R. K. Chang. Lasing droplets: highlighting the liquid-air interface by laser emission // J. Science 231(4737), 486-488 (1986); H. B. Lin, A. L. Huston, B. L. Justus, and A. J. Campillo. Some characteristics of a droplet whispering-gallerymode laser // J. Opt. Lett. 11(10), 614-616 (1986)].

В микросферической капле свет удерживается за счет полного внутреннего отражения на границе раздела микросферы и окружающей ее среды. Электромагнитные волны, входящие в сферический резонатор или излучаемые из усиливающей среды внутри резонатора, которые отвечают требованиям конструктивной интерференции, образуют резонансы резонатора, называемые модами шепчущей галереи. Запасенная в резонаторе энергия на этих частотах увеличивается из-за больших добротностей этих резонансов. Моды излучают, когда выигрыш больше или равен потерям из-за поглощения красителей и радиационной потери света из капли. Режимы генерации на каплях тесно совпадают с модами шепчущей галереи на сферических резонаторах.

Из технической литературы известно, что открытые диэлектрические резонаторы с модами высших порядков типа шепчущей галереи характеризуются высокой собственной добротностью в миллиметровом диапазоне длин волн. Это послужило основой их широкого применения в твёрдотельных генераторах, усилителях, сумматорах мощности и измерителях диэлектрической проницаемости [Ильченко М. Е., Взятышев В. Ф., Гассанов Л. Г. и др. Диэлектрические резонаторы. М.: Радио и связь, 1989. 328 с]. По причине низких радиационных потерь энергии добротность таких резонаторов ограничивается диссипативными потерями в их диэлектрическом материале.

Естественное поверхностное натяжение превращает капли в почти идеальные резонаторы. Действительно, капли, например, лежащие на плоской поверхности, продутые через полый капилляр или подвешенные на тонкой проволоке, обладают превосходными характеристиками с точки зрения оптического качества благодаря поверхностному натяжению, которое создает гладкую поверхность атомного масштаба.

Из технической литературы известно, что мезоразмерные сферические диэлектрические капли с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической капли) порядка 10 [Luk`yanchuk B., Paniagua-Domınguez R., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847; Minin O. V., and Minin I. V. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021. Vol. 8. No. 12; Minin, O. V., and Minin, I. V., Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics, 8(12), (2021)] занимают малоисследованную нишу между нанокаплями (q<1) и каплями, для которых справедлива геометрическая оптика (q~100).

Диэлектрические микросферы (микрокапли) с определенными параметрами размера могут стимулировать чрезвычайно большую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать две круглые горячие точки вокруг полюсов сферы и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды» [Z. B. Wang, B. Luk'yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, O. V. Minin, I. V. Minin, S. M. Huang, and A. A. Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres, // Scientific Reports 9, 20293 (2019); L. Yue, Z. Wang, B. Yan, J. Monks, Y. Joya, R. Dhama, O.V. Minin, and I. V. Minin, Super-Enhancement Focusing of Teflon Spheres // Ann. Phys. (Berlin) 532, 2000373 (2020); L. Yue, B. Yan, J. N. Monks, R. Dhama, C. Jiang, O. V. Minin, I. V. Minin, and Z. Wang. Full three-dimensional Poynting vector analysis of great field-intensity enhancement in a specifically sized spherical-particle. // Sci Rep 9, 20224 (2019)], что отличается от других типов резонансов [Conwell, P., Barber, P., Rushforth, C. Resonant spectra of dielectric spheres, // J. Opt. Soc. Am. A, 1(1), 62 (1984); P. Chýlek, J. D. Pendleton, and R. G. Pinnick, Internal and near-surface scattered field of a spherical particle at resonant conditions, // Appl. Opt. 24, 3940-3942 (1985); Y. Duan, G. Barbastathis, and B. Zhang, Classical imaging theory of a microlens with super-resolution, // Opt. Lett. 38, 2988-2990 (2013); S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H. P. Urbach, Y. Wu. Effects of whispering gallery mode in microsphere super resolution imaging. // Appl. Phys. B 123, 236 (2017)] в таких каплях. Этот резонанс связан с внутренними модами Ми высокого порядка и имеет место при определенных значениях параметра размера капли, которые могут быть непосредственно получены из строгой аналитической теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).]. В отличие от диэлектрических капель с радиусом существенно меньше длины волны излучения (в которых оптические свойства обычно обусловлены, как правило, первыми тремя резонансами Ми [A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, M. Brongersma, Y. Kivshar, and B. Luk'yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures // Science 354, 6314, aag2472 (2016); S. Kruk and Y. Kivshar, Functional meta-optics and nanophotonics governed by Mie resonances // ACS Photonics 4, 2638 (2017); N. Bonod and Y. Kivshar. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics // C. R. Physique, 21, (4-5), 425 (2020).]), в диэлектрических каплях c размером более длины волны и до характерных размеров, где начинает работать геометрическая оптика (мезоразмерные капли), наблюдаются резонансы Ми высокого (≥5) порядка, что приводит к специфическим оптическим явлениям, обусловленным интерференцией широкого спектра всех внутренних мод с одиночной модой внутреннего резонанса высокого порядка.

Первый сферический резонатор [C. Kallinger, M. Hilmer, A. Haugeneder, M. Perner, W. Spirkl, U. Lemmer, J. Feldmann, U. Scherf, K. Mullen, A. Gombert, V. Wittwer. Flexible conjugated polymer laser // Adv. Mater. 1998, 10, 920], действовавший как лазер, был изготовлен из CaF2:SM, построенный в Bell Laboratories в 1961 году. В качестве источника накачки использовалась лампа-вспышка с пороговой накачкой 20 Вт/см².

Известен способ генерации лазерного излучения лазером [US Patent 4829537], включающий изготовления твердотельного сферического изотропного оптического резонатора из Nd:YAG, возбуждения его с помощью лазерного излучения и генерации лазерного излучения.

Достоинством лазера является возможность равномерного лазерного излучения во всех направлениях, как от точечного источника.

Недостатком известного способа является использование твердого активного материала и равномерного лазерного излучения во всех направлениях.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [Патент РФ 2559124], включающий формирования одного или массива оптических резонаторов в виде сферических капель из жидких кристаллов или органического флуоресцентного красителя, с диаметром от нескольких нанометров до 100 микрометров, облучения оптического резонатора электромагнитным излучением, возбуждение в нем мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [A. Capocefalo, E. Quintiero, C. Conti, N. Ghofraniha, and I. Viola. Droplet Lasers for Smart Photonic Labels // ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 51485-51494], включающий формирование оптического резонатора в виде сферической капли жидкости расположенной в полимерной матрице, облучение оптического резонатора электромагнитным излучением, возбуждение в нем мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [Zhang, H.; Palit, P.; Liu, Y.; Vaziri, S.; Sun, Y. Reconfigurable Integrated Optofluidic Droplet Laser Arrays. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 26936-26942.], включающий формирование массива оптических резонаторов в виде массива сферических каплей жидкости, облучение оптических резонаторов электромагнитным излучением, возбуждение в них мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

В известном устройстве, реализующий способ формировались массивы капель диаметром от 115 до 475 мкм.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [R. L. Armstrong, J.-G. Xie, T. E. Ruekgauer, and R. G. Pinnick, Energy-transfer-assisted lasing from microdroplets seeded with fluorescent sol // Opt. Lett. 17, 943-945 (1992). https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-17-13-943], включающий формирование оптического резонатора в виде сферической капли из жидкости красителя флуоресцеин 548 в этаноле с флуоресцентным золем субмикронного размера и облучаемого оптическим излучением, формируемым лазером накачки, возбуждения в оптическом резонаторе мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [S. Tanosaki, H. Taniguchi, K. Tsujita, B. Devaraj, H. Inaba. Bio-material laser action enforced by mixed highly scattering Intralipid in microdroplet containing pigment extracted from biological tissues // Electronics, 32(16): 1484, 1996 Volume 32, Issue 16, 1 August 1996, p.1484 - 1486 DOI: 10.1049/el: 19960963], включающий формирование оптического резонатора в виде сферической капли из жидкости в виде смеси высокорассеивающего Интралипида-10% с пигментом, экстрагированным из биологических тканей, облучение оптического резонатора электромагнитным излучением, возбуждение в нем мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [M Boni, V Nastasa, I R Andrei, Angela Staicu, M L Pascu Enhanced fluorescence emitted by microdroplets containing organic dye emulsions // Biomicrofluidics. 2015 Feb 24; 9(1): 014126. doi: 10.1063/1.4913648.], включающий формирование оптического резонатора в виде сферической капли жидкости из водного раствора лазерного красителя (Родамин 6Ж (Rh6G)) или масляной эмульсией витамина А с раствором родамина 6Ж в воде, подвешивания жидкой капли в свободном пространстве, облучения оптического резонатора источником накачки в виде импульсного лазера Nd:YAG на длине волны 532 нм, возбуждения в нем оптическом резонаторе мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [D McGloin. Droplet lasers: a review of current progress // Rep Prog Phys. 2017 May; 80(5): 054402. doi: 10.1088/1361-6633/aa6172], включающий формирование оптического резонатора в виде сферической капли жидкости из ионной жидкости тетрафторборат 1-этил-3-метилимидазолия (EMIBF 4) смешанной с красителем, размещением ее на кварцевой подложке покрытой наночастицами фторированного кремнезема, облучение оптического резонатора электромагнитным излучением, возбуждение в нем мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Достоинством устройства является возможность его работы на открытом воздухе.

Известен способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [H. Azzouz, L. Alkhafadiji, S. Balslev, J. Johansson, N. A. Mortensen, S. Nilsson, and A. Kristensen. Levitated droplet dye laser // May 2006 / Vol. 14, No. 10 / OPTICS EXPRESS 4375-4380], включающий формирование оптического сферического резонатора состоящий из источника накачки оптической энергии, оптического резонатора в виде сферической капле красителя из родамина 6G, растворенного в этиленгликоле, в концентрации 0,02 М, размещение левитирующего оптического резонатора в свободном пространстве, облучение оптического резонатора электромагнитным излучением, возбуждение в нем мод шепчущей галереи и генерации лазерного излучения.

Левитирующие капли создавались посредством контролируемой компьютером подачи пиколитров в один из узлов стоячей ультразвуковой волны (100 кГц), где капля захватывается. Свободно висящая капля образует высококачественный оптический резонатор. Капли подвергаются оптической накачке светом с длиной волны 532 нм от импульсного Nd:YAG-лазера с удвоенной частотой.

Недостатком известных способов является возбуждение в оптическом резонаторе мод шепчущей галереи и равномерного лазерного излучения во всех направлениях. Кроме того, оптические резонаторы на основе мод шепчущей галереи имеют довольно большие размеры (не менее 10-20 мкм).

В качестве прототипа выбран способ генерации лазерного излучения капельным микролазером [Sindy K.Y. Tang, Ratmir Derda, Qimin Quan, Marko Lončar and George M. Whitesides. Continuously tunable microdroplet-laser in a microfluidic channel // 31 January 2011 / Vol. 19, No. 3 / OPTICS EXPRESS 2204], включающий формирование сферических жидких капель легированных красителем, размещения их в свободном пространстве, облучения их оптическим излучением от источника возбуждения, возбуждения в них мод шепчущей галереи и формирование лазерного излучения.

Недостатком известного способа является возбуждение в оптическом резонаторе мод шепчущей галереи и формирование равномерного лазерного излучения во всех направлениях.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно разработка способа генерации лазерного излучения капельным микролазером на основе резонансов Ми высокого порядка и обеспечивающего лазерное излучение в горячих точках сферической мезомасштабной жидкой капли.

Указанная задача достигается тем, что в способе генерации лазерного излучения капельным микролазером, включающего формирование оптического резонатора в виде сферических жидких капель легированных красителем, облучения их оптическим излучением от источника возбуждения и формирование лазерного излучения новым является то, что формируют оптический резонатор в виде мезоразмерной сферической жидкой капли с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической капли) порядка 10, с относительным показателем преломления не более 2, формирования суперрезонансных мод Ми высокого порядка в оптическом резонаторе и затем образовывают две круглые горячие точки вокруг полюсов сферической жидкой капли вдоль направления падения электромагнитного излучения. Кроме того, оптический резонатор размещают в открытом пространстве. Кроме того, оптический резонатор размещается на подложке с не смачиваемой поверхностью. Кроме того, используется массив оптических резонаторов.

Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели.

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 приведена принципиальная схема капельного микролазера.

На Фиг. 2 приведен пример распределения интенсивности магнитного поля |Е|² в диэлектрической мезоразмерной сферы диаметром порядка 6λ, где λ длина волны облучающей сферу с показателем преломления 1,51 с плоской электромагнитной ТЕ (А) и ТМ (Б) волной.

Обозначения: 1 - источник накачки, 2 - электромагнитное излучение, 3 - оптический резонатор в виде мезоразмерной сферической жидкой капли из активной среды, 4 - горячие точки, 5 - устройство размещения оптического резонатора в пространстве, например, устройство акустической левитации, подложка с не смачиваемой жидкостью поверхностью или нить.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

Работа устройства происходит следующим образом. Источник накачки 1 (лазер, светодиоды, электролампы), формирует электромагнитное излучение 2, которое облучает оптический резонатор в виде мезоразмерной сферической жидкой капли из активной среды 3.

В качестве активной среды могут использоваться, например, две жидкости - бензиловый спирт для капель и воду для жидкости-носителя, - которые частично смешивались друг с другом, Капли, содержащие раствор перхлората родамина 640 в бензиловом спирте, растворялись в воде [Sindy K. Y. Tang, Ratmir Derda, Qimin Quan, Marko Lončar and George M. Whitesides. Continuously tunable microdroplet-laser in a microfluidic channel // 31 January 2011 / Vol. 19, No. 3 / Optics Express 2204]. Поскольку предел растворимости бензилового спирта в воде составляет 4%, максимальный показатель преломления непрерывной фазы составит 1,34. Вода также растворяется в бензиловом спирте до 8 мас. %. Минимальный показатель преломления капель составит 1,52. Известны различные жидкофазные активные материалы, пригодные для использования в жидкостных лазерах, например, [Патенты РФ 2442253; 2311710; 2398324; 2075143; 1568847; 330505] и т.п.

Мезоразмерные сферические жидкие капли 3 могут быть сформированы, например, по технологии микрофлюидики (на основе фокусирующих поток сопел, Т-образных переходов и других структур), что позволяет удобно генерировать большое количество монодисперсных капель со скоростью до > 10 кГц, например, [P. Garstecki, I. Gitlin, W. DiLuzio, G. M. Whitesides, E. Kumacheva, and H. A. Stone, - Formation of monodisperse bubbles in a microfluidic flow-focusing device // J. Appl. Phys. Lett. 85(13), 2649-2651 (2004)].

Мезоразмерная сферическая жидкая капля 3 может быть зафиксирована в пространстве с помощью устройства размещения оптического резонатора 5, например, быть вертикально подвешена на кончике кварцевого волокна, [Avino S., Krause A., Zullo R., Giorgini A., Malara P., De Natale P., Loock H.P., Gagliardi G. Direct Sensing in Liquids Using Whispering-Gallery-Mode Droplet Resonators // Adv. Opt. Mater. 2014, 2, 1155-1159] или удерживаться в открытом пространстве с помощью методов оптического манипулирования [X. Yang, C. Gong, C. Zhang, Y. Wang, G. F. Yan, L. Wei, Y. C. Chen, Y. J. Rao, Y. Gong, Fiber optofluidic microlasers: structures, characteristics, and applications // Laser Photon. Rev. 2021, 16, 2100171; C. Wang, C. Gong, Y. Zhang, Z. Qiao, Z. Yuan, Y. Gong, G. E. Chang, W. C. Tu, Y. C. Chen, Programmable rainbow-colored optofluidic fiber laser encoded with topologically structured chiral droplets // ACS Nano 2021, 15, 11126; M. Papic, U. Mur, K. P. Zuhail, M. Ravnik, I. Musevic, M. Humar, Topological liquid crystal superstructures as structured light lasers // Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2021, 118.] или с помощью устройств акустической левитации [Патент РФ 2708048] или размещаться на не смачиваемой поверхности подложки [D McGloin. Droplet lasers: a review of current progress // Rep Prog Phys. 2017 May; 80(5): 054402. doi: 10.1088/1361-6633/aa6172] и т.д.

Слабо рассеивающие мезоразмерные диэлектрические сферы могут поддерживать резонансы Фано очень высокого порядка. Суть эффекта суперрезонанса заключается в том, что для сферической слабодиссипативной диэлектрической капли мода внутреннего резонанса высокого порядка интерферирует с широким спектром всех остальных мод. В результате такой интерференции резонансная линия имеет характерную форму резонанса Фано, которая наблюдается и для спектров напряженности электрического и магнитного поля на поверхности капли. Другие особенности эффекта суперрезонанса заключаются в уникальном расположении «горячих точек» 4 на полюсах сферы [I. V. Minin, O. V. Minin, Z. Song. High-Order Fano Resonance in a Mesoscale Dielectric Sphere with a Low Refractive Index. JETP Letters, 2022, Vol. 116, No. 3, pp. 144-148], обусловленных специфическим поведением внутренних мод Ми, где коэффициенты усиления напряженности магнитного и электрического полей могут достигать экстремально высоких значений. В окрестности таких горячих точек наблюдается высокая степень локализации магнитных и электрических полей, превышающей дифракционный предел, как внутри капли, так и на ее поверхности. Последнее связано с образованием областей, в котором локальные волновые векторы могут на порядки превышать волновой вектор падающего излучения из-за наличия оптических нановихрей.

Напряженность электромагнитного поля в горячих точках 4 может на несколько порядков, примерно на 10³-10¹⁰ превышать напряженность электромагнитного поля в освещающей волне. Особенностью этого типа резонанса является то, что величина напряженности магнитного поля существенно превышает величину напряженности электрического поля в горячих точках. Соответственно, энергия электромагнитного поля существенно повышается в горячих точках.

Установлено, что, например, для сферической капли с относительным показателем преломления равным 1,33 и параметром размера q=70,60 (что на длине волны около λ=534 нм соответствует диаметру сферы около 12 микрон) обеспечивается добротность порядка 6⋅10⁸ и образуется единственная резонансная ТЕ мода с номером 86, амплитуда которой больше остальных примерно в 25 раз. Таким образом, единственный член с единственной модой l=86 в данном случае приводит к увеличению интенсивности рассеянного излучения более чем в 4000 раз [И. В. Минин, О.В. Минин, С. Джоу. Фано резонанс высокого порядка в диэлектрической мезоразмерной сфере из материала с низким показателем преломления // «Письма ЖЭТФ» 116(3), 146-150 (2022)].

В условиях суперрезонанса поле внутри сферической капли приобретает форму, характерную для распределения поля одиночной собственной моды, находящейся в резонансе. При этом в резонансе резко возрастает амплитуда внутреннего магнитного и электрического полей сферической капли вблизи ее полюсов благодаря конструктивной интерференции одной резонансной моды с широким спектром мод внутри сферической капли. Кроме того, конфигурация полей, соответствующих МШГ сохраняется, но их интенсивность на 4-5 порядков меньше интенсивности поля в горячих точках. Такая конфигурация поля характерна для резонансов Фано высокого порядка в диэлектрических сферах и не наблюдается в структуре поля, характерного для резонанса МШГ.

При относительном показателе преломления материала оптического резонатора более 2 горячие точки смещаются внутрь сферической капли от ее поверхности.

В горячих точках 4 сферической капли 3 происходит возбуждение атомов активной среды и формированию лазерного излучения. Горячие точки и моды излучают, когда выигрыш по электромагнитной энергии больше или равен потерям из-за поглощения красителей и радиационной потери света из капли.

Изобретение предназначено для производства капельных микролазеров. Способ генерации лазерного излучения капельным микролазером включает формирование оптического резонатора в виде сферических жидких капель, легированных красителем, облучение их оптическим излучением от источника возбуждения и формирование лазерного излучения, согласно изобретению формируют оптический резонатор в виде мезоразмерной сферической жидкой капли с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической капли) порядка 10, с относительным показателем преломления не более 2, формируют суперрезонансные моды Ми высокого порядка в оптическом резонаторе и затем образовывают две круглые горячие точки вокруг полюсов сферической жидкой капли вдоль направления падения электромагнитного излучения. Технический результат - обеспечение лазерного излучения в горячих точках сферической мезомасштабной жидкой капли. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ генерации лазерного излучения капельным микролазером, включающий формирование оптического резонатора в виде сферических жидких капель, легированных красителем, облучение их оптическим излучением от источника возбуждения и формирование лазерного излучения, отличающийся тем, что формируют оптический резонатор в виде мезоразмерной сферической жидкой капли с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической капли) порядка 10, с относительным показателем преломления не более 2, формируют суперрезонансные моды Ми высокого порядка в оптическом резонаторе и затем образовывают две круглые горячие точки вокруг полюсов сферической жидкой капли вдоль направления падения электромагнитного излучения.

2. Способ генерации лазерного излучения капельным микролазером по п.1, отличающийся тем, что оптический резонатор размещается в открытом пространстве.

3. Способ генерации лазерного излучения капельным микролазером по п.1, отличающийся тем, что оптический резонатор размещается на подложке с несмачиваемой поверхностью.

4. Способ генерации лазерного излучения капельным микролазером по п.1, отличающийся тем, что используется массив оптических резонаторов.