科学家制造出最小的半导体激光器,该激光器在室温下可在可见范围内工作

时间:2020-08-31 14:43来源:opli作者:yeyan 点击:
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摘要:一个国际研究团队宣布开发出世界上最紧凑的半导体激光器,该激光器可在室温下在可见光范围内工作。根据研究的作者,激光是只有310纳米大小的纳米粒子(比一毫米小3,000倍),可以在室温下产生绿色相干光。该研究文章 发表 在ACS Nano上。

关键字:激光,激光技术,半导体激光器

  一个国际研究团队宣布开发出世界上最紧凑的半导体激光器,该激光器可在室温下在可见光范围内工作。根据研究的作者,激光是只有310纳米大小的纳米粒子(比一毫米小3,000倍),可以在室温下产生绿色相干光。该研究文章 发表 在ACS Nano上。

  今年,国际光学物理学家协会庆祝了这一里程碑式事件的周年纪念日:60年前的5月中旬,美国物理学家Theodor Maiman展示了第一台光学量子发生器-激光器的运行。这让位于一个新时代,在这个新时代,激光已成为我们生活中必不可少的一部分。

辉石颗粒的排放

  60年后,一个国际科学家团队(其中大部分来自ITMO大学)发表了一项研究,他们在实验上演示了世界上最紧凑的半导体激光器,该激光器在室温下的可见光范围内工作。这意味着使用标准光学显微镜可以很容易地记录甚至产生的相干绿光,甚至可以用肉眼看到。

  值得一提的是,科学家成功地克服了可见光带的绿色部分,这对于纳米激光来说是有问题的。

  本文的主要研究者,ITMO大学物理与工程学院教授谢尔盖·马卡罗夫(Sergey Makarov)表示:“在现代发光半导体领域,存在“绿色缺口”问题。“绿色间隙意味着,用于发光二极管的常规半导体材料的量子效率在光谱的绿色部分急剧下降。这个问题使由常规半导体材料制成的室温纳米激光器的开发变得复杂。”

  材料选择

  绿隙问题阻碍了基于金属介电技术的小型绿色激光器的创建,该小型绿色激光器已成功用于创建在红外(IR)波段工作的亚波长激光器。

  “当人们开始尝试在可见光范围内创建此类纳米激光时,” Sergey Makarov说,“他们试图以与金属电介质IR激光器相同的方式来做所有事情,在这种情况下,光可以“缩小”到更小的尺寸。通过激发金属零件中的等离激元来获得比波长更大的波长。但在可见光范围内,由于大多数金属的显着损耗,大部分光能转化为寄生热并破坏了纳米激光。”

  为了解决这些问题,ITMO大学的物理学家和化学家团队以及澳大利亚国立大学,查默斯技术大学和德克萨斯大学达拉斯分校的外国同事决定,避免金属介电设计并充分开发介电概念,因此他们将注意力转向了钙钛矿卤化物,该卤化物钙钛矿具有可见光的发光特性,这归因于可见光波段的高发光量子效率。此外,钙钛矿的物理特性使研究人员能够提出激光器的原始设计。

  二合一

  传统的激光器由两个关键元素组成–允许其产生相干受激发射的活性介质和有助于将电磁能长时间限制在内部的光学谐振器。钙钛矿可以提供这两种特性:某种形状的纳米粒子既可以充当活性介质,又可以充当高效谐振器。

  该论文的作者之一,ITMO初级研究员Kirill Koshelev表示:“为了限制辐射并在纳米粒子内部放大辐射,我们使用了几何共振,共振波长从一个共振平面到另一个共振平面的整数倍。大学。在古斯塔夫·米(Gustav Mie)于100年前描述球形颗粒的类似现象之后,这种效应被称为几何共振或米氏共振。钙钛矿具有立方晶格,如果我们使用化学合成方法制造颗粒,它们将自然获得立方状的形状,这是谐振器的最佳形状,因为它具有许多对称方向,因此擅长限制能量。”

  化学合成

立方钙钛矿颗粒

  立方钙钛矿颗粒。文章作者提供的照片

  尽管钙钛矿具有立方晶格,并且在适当的条件下,其颗粒本身的形状却接近于立方体,要生产具有特定尺寸,形式和质量的纳米颗粒并不容易。您需要特殊条件。

  “传统上,当您首先生产球形然后变成立方的方法时,立方钙钛矿颗粒是通过这种方法得到的,” ITMO大学的论文之一,初级研究员Aleksandra Furasova解释说。“但这对纳米光子学的任务没有帮助,因为它们太大了。我们使用了两个阶段的化学合成:首先生产溴化铅PbBr2,这种晶体很小的胚,然后添加溴化铯CsBr来生产钙钛矿立方体(CsPbBr3)。先前描述的化学合成方法不允许我们生产出上述尺寸的颗粒,因此我们需要单独的晶体以进行进一步的研究和应用。因此,我们在特殊的基材上生长钙钛矿,同时调节湿度,温度和所用溶剂的组合。”

  但是,即使这种方法也会产生不同大小的粒子。合成后,有必要使用复杂的理论模型来鉴定对实验有益的晶体。最后,结果证明它们是310纳米大小的颗粒。

  这个怎么运作

  但是晶体本身还不是激光。为了发射相干光,必须激发它,或者如他们所说,用能量“泵浦”它,直到发生受激发射为止。

  “我们使用飞秒激光脉冲泵浦纳米激光,” ITMO大学的初级研究员,该论文的合著者之一Ekaterina Tiguntseva说。“我们辐照了孤立的纳米颗粒,直到达到特定泵浦强度的激光产生阈值为止。” 此后,纳米颗粒开始作为典型的激光工作。我们证明了这种纳米激光可以在至少一百万次激发周期内运行。”

  所开发的纳米激光的独特性不限于其小尺寸。纳米粒子的新颖设计可有效限制受激发射能量,从而为产生激光提供足够高的电磁场放大率。

  ITMO大学的初级研究员,文章的合著者之一Kirill Koshelev解释说:“想法是激光的产生是一个阈值过程。” “即,您用激光脉冲激发纳米粒子,并在外部源的特定“阈值”强度下,粒子开始产生激光发射。如果您无法将光线完全限制在内部,则不会发出激光。在先前使用其他材料和系统但具有相似思想的实验中,表明可以使用四阶或五阶Mie共振,这意味着材料内部的光波长适合共振器体积四倍或五倍的共振。以产生激光的频率 我们已经证明我们的粒子支持三阶Mie共振,这是以前从未做过的。

  前景展望

  另一个重要的事情是,无需施加外部压力或非常低的温度即可使纳米颗粒用作激光。研究中描述的所有效应都是在正常的大气压和室温下产生的。这使该技术对于专注于创建光学芯片,传感器和其他使用光来传输和处理信息的设备的专家具有吸引力,其中包括用于光学计算机的芯片。

  在可见光范围内工作的激光的好处是,在所有其他特性相同的情况下,它们比具有相同特性的红色和红外光源小。事实是,小型激光器的体积通常与发射的波长具有立方关系,并且由于绿光的波长比红外光的波长小三倍,因此小型化的极限对于绿光激光器要大得多。这对于为未来的光学计算机系统生产超紧凑组件至关重要。

  该文章已发表在ACS Nano上,ACS Nano是相关研究领域的领先期刊之一。值得一提的是,它是由《自然索引》索引的,这是一个享有声望的排名,它不仅显示了研究机构在高级论文方面的水平,而且还显示了大学和研究所的作者对研究机构的贡献。根据该排名,ITMO大学是俄罗斯 物理学排名前三的大学,在其他几个类别中也处于领先地位。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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