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俄罗斯开发出世界上最紧凑的绿光半导体激光器
2020-06-05

【据美国物理学家组织网202063日报道】近日,科学家宣布开发出了世界上最紧凑的半导体激光器,该激光器在室温下工作在可见光范围。根据研究人员介绍,该激光器具有纳米粒子的尺寸,仅为310纳米(比1毫米小3000倍),可以在室温下输出绿色相干激光。该项研究成果发表在国际顶级期刊《ACS Nano》上。

1960年,美国物理学家西奥多·迈曼(Theodor Maiman)发明了世界上第一台光量子振荡器-激光器,并演示了它的工作原理。60年后的今天,据一国际科研团队(其中多数研究人员来自俄罗斯圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学(ITMO))介绍,他们已在实验上论证了该世界上最紧凑的半导体激光器,可以在室温下工作在可见光范围。该发明意味着半导体激光器产生的绿色相干激光可以很容易地被追踪,甚至在光学显微镜下用肉眼就能够观测到。

科学家成功地开发出了工作在可见光范围绿光波段的纳米激光器,这是纳米半导体激光器领域的一个巨大突破。该项研究的主要成员—ITMO大学物理与工程学院教授谢尔盖·马卡罗夫(Sergey Makarov)表示,在当今发光半导体领域,存在“绿光能隙”问题,绿光能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光部分急剧下降。这个问题使得利用传统半导体材料制作室温纳米激光器变得十分困难。

一个传统激光器的实现包括两个关键要素:一种可产生相干受激发射的增益介质和一个能将电磁能长时间限制在其内部的光学谐振腔。该研究团队选择了金属卤化物钙钛矿材料作为纳米激光器的材料,该钙钛矿材料可以满足激光器的这两个要素,即某种形状的纳米粒子既可以作为增益介质,又可以充当高效光学谐振腔。最终,科学家成功地制作出了一种边长为310纳米的立方体形状粒子,当该粒子被一束飞秒激光脉冲激发时,可以在室温下产生激光。

该项研究的成员之一,ITMO大学的初级研究员Ekaterina Tiguntseva表示,我们使用飞秒激光脉冲泵浦纳米激光器,在特定泵浦强度下,当激光脉冲辐照纳米粒子时,直到达到激光产生阈值为止;之后,纳米粒子开始像典型的激光器一样工作。我们证明了这种纳米激光器可以在至少一百万次激发周期内保持正常工作。

所开发的纳米激光器的独特之处不仅在于它的小尺寸,更重要的是,该纳米粒子的新颖设计可以有效囚禁受激发射能量,从而为产生激光提供足够高的电磁场放大率。该项研究的成员之一,ITMO大学的初级研究员Kirill Koshelev表示,该设计理念基于激光产生是一个阈值过程。当用外部特定强度的激光脉冲泵浦纳米粒子时,粒子开始产生激光发射。如果无法将所激发出的光很好地限制在粒子内部,则不会产生激光发射。在先前的实验中,以相同的设计理念,但使用了其他种类材料和系统,结果表明,相干激光产生可以利用四阶或五阶米氏共振(Mie resonances),即激光器光学谐振腔的有效腔长为4倍或5倍材料内部被激发光波长时,共振产生激光输出。我们已经证明了本研究纳米粒子支持三阶Mie共振,这是以前的实验从未做过的。换言之,当激光器光学谐振腔的有效腔长等于3倍材料内部被激发光波长时,产生相干激发发射。

值得一提的是,所开发纳米激光器的纳米粒子不需要施加外部压力或运行在非常低的温度,实验中所有效应和现象都是在正常大气压和室温下产生的。这项研究对构造光芯片、微传感器和其他使用光作为信息传输和处理媒介的器件(包括用于光学计算机的芯片)具有广阔的应用前景。工作在可见光范围的激光器的好处是,在其他所有特性相同的情况下,它们比红光和红外光源体积更小。事实是,小型激光器的体积大小通常与其输出光波长呈立方关系,由于绿光的波长比红外光的波长小3倍,因此,绿光激光器在小型化方面更具优势。这项优势对未来光学计算机系统中超紧凑组件的构造是至关重要的。(国家工业信息安全发展研究中心 郑发松)

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