Инженеры из Университета Нортумбрии, Института Оптики Париж-Сакле и Имперского колледжа Лондона представили первый твердотельный мазер, работающий при комнатной температуре и питающийся от светодиодов. Устройство продемонстрировало стабильное усиление сигнала на частоте 1,45 ГГц — это радиодиапазон, используемый, например, в спутниковых и медицинских системах.
Ключ к новому подходу — особая схема подсветки. Вместо дорогих лазеров или источников вспышек учёные использовали массив из 2120 синих светодиодов, свет от которых 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, идеально подходящий для возбуждения пентанцена — органического вещества, играющего роль активной среды мазера.
Благодаря оптимальной передаче энергии и резонатору из диэлектрика SrTiO3, устройство выдало микроволновой импульс мощностью 0,014 мВт при длительности до 200 микросекунд. Это в 2,3 раза выше, чем у предыдущих аналогов, работавших от ламп-вспышек. При этом новинка потребляет меньше энергии, не требует высокого напряжения и может масштабироваться.
Мазер создаёт усиление за счёт того, что возбуждённые молекулы пентанцена переходят между уровнями тройного спинового состояния, выделяя кванты микроволнового излучения. Плотное совпадение спектра излучения люминесцентного концентратора со спектром поглощения пентанцена позволило получить устойчивую инверсию — необходимое условие для работы 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 относительно простому строению, такие мазеры могут стать массовыми компонентами будущих электронных систем.
Исследователи признают, что текущий прототип можно значительно улучшить: например, большая часть света теряется из-за несовпадения размеров компонентов. В будущем можно внедрить зеркальные рефлекторы и более мощные LED-модули, что позволит перейти к непрерывной или более длительной работе мазера.