科学家制造出世界上最小的半导体激光器

据外媒报道,一个国际研究人员团队宣布开发出世界上最紧凑、最小的半导体激光器,该激光器可在室温下的可见光范围内工作。

  6月4日消息,据外媒报道,一个国际研究人员团队宣布开发出世界上最紧凑、最小的半导体激光器,该激光器可在室温下的可见光范围内工作。据作者介绍,该激光器是只有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。该研究文章发表在ACS Nano上。

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  六十年前的五月中旬,美国物理学家西奥多·迈曼(Theodor Maiman)演示了第一台光学量子发生器——激光器的工作原理。现在,一个国际科学家团队(其中大部分来自ITMO大学)报告说,他们已通过实验研发出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,这意味着它产生的相干绿光可以很容易地被记录下来,甚至可以用标准光学显微镜用肉眼看到。

钙钛矿纳米颗粒作为激光器材料的独特性

  科学家成功地开发了可见带的绿色部分,这对于纳米激光器来说有着重要的意义。这篇文章的首席研究员、ITMO大学物理与工程学院教授谢尔盖·马卡罗夫说:“在现代发光半导体领域,存在着‘绿色间隙’问题,‘绿色间隙’意味着用于发光二极管的传统半导体材料的量子效率在光谱的绿色部分显著下降。这个问题使由传统半导体材料制成的室温纳米激光器的开发变得复杂。”

  在此情况下,研究小组选择了卤化物钙钛矿作为纳米激光器的材料。传统激光器由两个关键元件组成:一个是允许产生相干受激发射的有源介质,另一个是有助于将电磁能量长期限制在内部的光学谐振器。钙钛矿能同时提供这两种特性:一种特定形状的纳米颗粒既可以作为活性介质,也可以作为有效的谐振器。

  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、论文的合著者Ekaterina Tiguntseva说:“我们使用飞秒激光脉冲泵浦纳米激光,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,之后,纳米粒子开始像典型的激光一样工作。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工作。”

最小半导体激光器的优势

  此次所研制的纳米激光器的独特性不仅限于其体积小,新设计的纳米颗粒能够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、该文的合著者之一Kirill Koshelev解释说:“我们的想法是,激光产生是一个阈值过程。你用激光脉冲激发纳米颗粒,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,即光波长处的共振,材料内部以激光产生的频率适合谐振腔体积的四到五倍。我们已经证明我们的纳米粒子支持三阶Mie共振,这是以前从未做过的,换句话说,我们可以在谐振器尺寸等于材料内部三个光波长的条件下产生相干激发发射。”

  值得注意的是,不需要施加外部压力或非常低的温度来使纳米颗粒用作激光器,研究中描述的所有影响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,小型纳米颗粒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。

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