Инженеры из Университета Нортумбрии, Института Оптики Париж-Сакле и Имперского колледжа Лондона разработали первый твердотельный мазер, работающий при комнатной температуре и питающийся от светодиодов. Устройство показало стабильное усиление сигнала на частоте 1,45 ГГц, которая применяется в спутниковых и медицинских системах.
Новая схема подсветки является ключевым моментом этого подхода. Вместо дорогих лазеров или вспышек учёные применили массив из 2120 синих светодиодов. Свет от них направляется в кристалл-усилитель через люминесцентный концентратор на основе Ce:YAG (иттриево-алюминиевый гранат с церием). Этот концентратор переводит синий свет в жёлто-оранжевый диапазон, оптимальный для возбуждения пентанцена — органического вещества, выступающего активной средой мазера.
Благодаря эффективной передаче энергии и резонатору из диэлектрика СrТiО3… 3Устройство выпустило микроволновой импульс мощностью 0,014 мВт с длительностью до 200 микросекунд. Это на 2,3 раза превосходит показатели предыдущих моделей, функционировавших от ламп-вспышек. Новая разработка потребляет меньше энергии, не нуждается в высоком напряжении и поддаётся масштабированию.
Мазер усиливает сигнал за счёт перехода возбуждённых молекул пентанцена между уровнями тройного спинового состояния, что сопровождается выделением квантов микроволнового излучения. Соблюдение совпадения спектра излучения люминесцентного концентратора со спектром поглощения пентанцена обеспечило устойчивую инверсию — необходимое условие для функционирования устройства.
Разработка может быть особенно полезна для квантовых сенсоров, портативных атомных часов, недорогих устройств магнитно-резонансной томографии и усилителей сигналов в радиотелескопах. Благодаря светодиодам и простому строению мазеры могут стать массовыми компонентами будущих электронных систем.
Ученые считают возможным существенно усовершенствовать нынешний прототип: например, значительная часть света пропадает из-за несоответствия размеров деталей. В перспективе можно использовать зеркальные отражатели и более мощные светодиоды, что даст возможность перейти к непрерывной или продолжительной работе мазера.