研究人员开发了世界上最紧凑的半导体激光器
发布时间：2020-06-10
近日，由ITMO大学的研究人员领导的国际研究人员团队宣布，在室温下的可见光范围内开发了世界上最紧凑的半导体激光器。根据研究团队作者描述，这种激光是只有310纳米大小的纳米粒子(比毫米小3000倍)，可以在室温下产生绿色相干光，甚至可以使用标准的光学显微镜用肉眼看到。
值得一提的是，科学家成功地克服了可见光带的绿色部分，该文章的主要研究者，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发展复杂化。”
ITMO大学研究团队选择了钙钛矿卤化物作为其纳米激光的材料。传统的激光器由两个关键元素组成-允许产生相干激发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。结果，科学家成功地制造了310纳米大小的立方体形状的粒子，当它被飞秒激光脉冲激发时，可以在室温下产生激光辐射。
ITMO大学的初级研究员，该论文的合著者之一Ekaterina Tiguntseva说。“我们使用飞秒激光脉冲泵浦纳米激光，我们辐照了孤立的纳米粒子，直到达到特定泵浦强度的激光产生阈值为止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。” 研究团队所研制的纳米激光器的独特性不仅限于其体积小，新设计的纳米粒子还能够有效限制受激发射能量，为激光产生提供足够高的电磁场放大。
ITMO大学的初级研究员，文章的合著者之一Kirill Koshelev解释说：“这个想法是激光产生是一个阈值过程。也就是说，你用激光脉冲激发纳米粒子，在外部光源的特定“阈值”强度下，粒子开始产生激光发射。如果你不能把光限制在足够好的范围内，就不会有激光发射。在之前的其他材料和系统的实验中，但是类似的想法，它表明你可以使用四阶或五阶的Mie共振，这意味着在激光产生的频率下，材料中的光波长与谐振器体积匹配四到五倍的共振。我们已经证明了我们的粒子支持三阶Mie共振，这是以前从未做过的。换句话说，当谐振器的尺寸等于材料内部三个波长的光时，我们可以产生相干受激发射。”
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粒子用作激光。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。这使得这项技术对专注于制造光学芯片、传感器和其他使用光来传输和处理信息的设备(包括用于光学计算机的芯片)的专家具有吸引力。
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。事实上，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。
