最小的半導(dǎo)體激光器誕生！
來源：OFweek激光網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2020-06-12
近日，由ITMO大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究人員團(tuán)隊(duì)宣布，在室溫下的可見光范圍內(nèi)開發(fā)了世界上最緊湊的半導(dǎo)體激光器。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)作者描述，這種激光是只有310納米大小的納米粒子（比毫米小3000倍），可以在室溫下產(chǎn)生綠色相干光，甚至可以使用標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)顯微鏡用肉眼看到。
值得一提的是，科學(xué)家成功地克服了可見光帶的綠色部分，該文章的主要研究者，ITMO大學(xué)物理與工程學(xué)院教授謝爾蓋·馬卡羅夫（Sergey Makarov）表示：“在現(xiàn)代發(fā)光半導(dǎo)體領(lǐng)域，存在“綠色缺口”問題“，綠色間隙意味著，用于發(fā)光二極管的常規(guī)半導(dǎo)體材料的量子效率在光譜的綠色部分急劇下降，這個(gè)問題使由常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的室溫納米激光器的發(fā)展復(fù)雜化。”
ITMO大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)選擇了鈣鈦礦鹵化物作為其納米激光的材料。傳統(tǒng)的激光器由兩個(gè)關(guān)鍵元素組成－允許產(chǎn)生相干激發(fā)發(fā)射的活性介質(zhì)和有助于將電磁能長(zhǎng)時(shí)間限制在內(nèi)部的光學(xué)諧振器，鈣鈦礦可以提供這兩種特性：某種形狀的納米粒子既可以充當(dāng)活性介質(zhì)，又可以充當(dāng)高效諧振器。結(jié)果，科學(xué)家成功地制造了310納米大小的立方體形狀的粒子，當(dāng)它被飛秒激光脈沖激發(fā)時(shí)，可以在室溫下產(chǎn)生激光輻射。
ITMO大學(xué)的初級(jí)研究員，該論文的合著者之一Ekaterina Tiguntseva說。“我們使用飛秒激光脈沖泵浦納米激光，我們輻照了孤立的納米粒子，直到達(dá)到特定泵浦強(qiáng)度的激光產(chǎn)生閾值為止我們證明了這種納米激光可以在至少一百萬次激發(fā)周期內(nèi)運(yùn)行。” 研究團(tuán)隊(duì)所研制的納米激光器的獨(dú)特性不僅限于其體積小，新設(shè)計(jì)的納米粒子還能夠有效限制受激發(fā)射能量，為激光產(chǎn)生提供足夠高的電磁場(chǎng)放大。
ITMO大學(xué)的初級(jí)研究員，文章的合著者之一Kirill Koshelev解釋說：“這個(gè)想法是激光產(chǎn)生是一個(gè)閾值過程。也就是說，你用激光脈沖激發(fā)納米粒子，在外部光源的特定“閾值”強(qiáng)度下，粒子開始產(chǎn)生激光發(fā)射。如果你不能把光限制在足夠好的范圍內(nèi)，就不會(huì)有激光發(fā)射。在之前的其他材料和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，但是類似的想法，它表明你可以使用四階或五階的Mie共振，這意味著在激光產(chǎn)生的頻率下，材料中的光波長(zhǎng)與諧振器體積匹配四到五倍的共振。我們已經(jīng)證明了我們的粒子支持三階Mie共振，這是以前從未做過的。換句話說，當(dāng)諧振器的尺寸等于材料內(nèi)部三個(gè)波長(zhǎng)的光時(shí)，我們可以產(chǎn)生相干受激發(fā)射。”
另一個(gè)重要的事情是，無需施加外部壓力或非常低的溫度即可使納米粒子用作激光。研究中描述的所有效應(yīng)都是在正常的大氣壓和室溫下產(chǎn)生的。這使得這項(xiàng)技術(shù)對(duì)專注于制造光學(xué)芯片、傳感器和其他使用光來傳輸和處理信息的設(shè)備（包括用于光學(xué)計(jì)算機(jī)的芯片）的專家具有吸引力。
在可見光范圍內(nèi)工作的激光的好處是，在所有其他特性相同的情況下，它們比具有相同特性的紅色和紅外光源小。事實(shí)上，小型激光器的體積通常與發(fā)射的波長(zhǎng)具有立方關(guān)系，并且由于綠光的波長(zhǎng)比紅外光的波長(zhǎng)小三倍，因此小型化的極限對(duì)于綠光激光器要大得多，這對(duì)于為未來的光學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)超緊湊組件至關(guān)重要。
值得一提的是，科學(xué)家成功地克服了可見光帶的綠色部分，該文章的主要研究者，ITMO大學(xué)物理與工程學(xué)院教授謝爾蓋·馬卡羅夫（Sergey Makarov）表示：“在現(xiàn)代發(fā)光半導(dǎo)體領(lǐng)域，存在“綠色缺口”問題“，綠色間隙意味著，用于發(fā)光二極管的常規(guī)半導(dǎo)體材料的量子效率在光譜的綠色部分急劇下降，這個(gè)問題使由常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的室溫納米激光器的發(fā)展復(fù)雜化。”
ITMO大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)選擇了鈣鈦礦鹵化物作為其納米激光的材料。傳統(tǒng)的激光器由兩個(gè)關(guān)鍵元素組成－允許產(chǎn)生相干激發(fā)發(fā)射的活性介質(zhì)和有助于將電磁能長(zhǎng)時(shí)間限制在內(nèi)部的光學(xué)諧振器，鈣鈦礦可以提供這兩種特性：某種形狀的納米粒子既可以充當(dāng)活性介質(zhì)，又可以充當(dāng)高效諧振器。結(jié)果，科學(xué)家成功地制造了310納米大小的立方體形狀的粒子，當(dāng)它被飛秒激光脈沖激發(fā)時(shí)，可以在室溫下產(chǎn)生激光輻射。
ITMO大學(xué)的初級(jí)研究員，該論文的合著者之一Ekaterina Tiguntseva說。“我們使用飛秒激光脈沖泵浦納米激光，我們輻照了孤立的納米粒子，直到達(dá)到特定泵浦強(qiáng)度的激光產(chǎn)生閾值為止我們證明了這種納米激光可以在至少一百萬次激發(fā)周期內(nèi)運(yùn)行。” 研究團(tuán)隊(duì)所研制的納米激光器的獨(dú)特性不僅限于其體積小，新設(shè)計(jì)的納米粒子還能夠有效限制受激發(fā)射能量，為激光產(chǎn)生提供足夠高的電磁場(chǎng)放大。
ITMO大學(xué)的初級(jí)研究員，文章的合著者之一Kirill Koshelev解釋說：“這個(gè)想法是激光產(chǎn)生是一個(gè)閾值過程。也就是說，你用激光脈沖激發(fā)納米粒子，在外部光源的特定“閾值”強(qiáng)度下，粒子開始產(chǎn)生激光發(fā)射。如果你不能把光限制在足夠好的范圍內(nèi)，就不會(huì)有激光發(fā)射。在之前的其他材料和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，但是類似的想法，它表明你可以使用四階或五階的Mie共振，這意味著在激光產(chǎn)生的頻率下，材料中的光波長(zhǎng)與諧振器體積匹配四到五倍的共振。我們已經(jīng)證明了我們的粒子支持三階Mie共振，這是以前從未做過的。換句話說，當(dāng)諧振器的尺寸等于材料內(nèi)部三個(gè)波長(zhǎng)的光時(shí)，我們可以產(chǎn)生相干受激發(fā)射。”
另一個(gè)重要的事情是，無需施加外部壓力或非常低的溫度即可使納米粒子用作激光。研究中描述的所有效應(yīng)都是在正常的大氣壓和室溫下產(chǎn)生的。這使得這項(xiàng)技術(shù)對(duì)專注于制造光學(xué)芯片、傳感器和其他使用光來傳輸和處理信息的設(shè)備（包括用于光學(xué)計(jì)算機(jī)的芯片）的專家具有吸引力。
在可見光范圍內(nèi)工作的激光的好處是，在所有其他特性相同的情況下，它們比具有相同特性的紅色和紅外光源小。事實(shí)上，小型激光器的體積通常與發(fā)射的波長(zhǎng)具有立方關(guān)系，并且由于綠光的波長(zhǎng)比紅外光的波長(zhǎng)小三倍，因此小型化的極限對(duì)于綠光激光器要大得多，這對(duì)于為未來的光學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)超緊湊組件至關(guān)重要。
