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科學(xué)家制造出世界上較小尺寸的半導(dǎo)體激光器

星之球科技 來源:傳感器專家網(wǎng)2020-06-08 我要評(píng)論(0 )   

6月4日消息,據(jù)外媒報(bào)道,一個(gè)國際研究人員團(tuán)隊(duì)宣布開發(fā)出世界上較緊湊、尺寸較小的半導(dǎo)體激光器,該激光器可在室溫下的可見光范圍內(nèi)工作。據(jù)作者介紹,該激光器是只有3...

     6月4日消息,據(jù)外媒報(bào)道,一個(gè)國際研究人員團(tuán)隊(duì)宣布開發(fā)出世界上較緊湊、尺寸較小的半導(dǎo)體激光器,該激光器可在室溫下的可見光范圍內(nèi)工作。據(jù)作者介紹,該激光器是只有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。該研究文章發(fā)表在ACS Nano上。


  六十年前的五月中旬,美國物理學(xué)家西奧多·邁曼(Theodor Maiman)演示了第一臺(tái)光學(xué)量子發(fā)生器——激光器的工作原理?,F(xiàn)在,一個(gè)國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)(其中大部分來自ITMO大學(xué))報(bào)告說,他們已通過實(shí)驗(yàn)研發(fā)出了世界上較緊湊的半導(dǎo)體激光器,該激光器在室溫下的可見光范圍內(nèi)工作,這意味著它產(chǎn)生的相干綠光可以很容易地被記錄下來,甚至可以用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡用肉眼看到。


  鈣鈦礦納米顆粒作為激光器材料的獨(dú)特性


  科學(xué)家成功地開發(fā)了可見帶的綠色部分,這對(duì)于納米激光器來說有著重要的意義。這篇文章的首席研究員、ITMO大學(xué)物理與工程學(xué)院教授謝爾蓋·馬卡羅夫說:“在現(xiàn)代發(fā)光半導(dǎo)體領(lǐng)域,存在著‘綠色間隙’問題,‘綠色間隙’意味著用于發(fā)光二極管的傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的量子效率在光譜的綠色部分顯著下降。這個(gè)問題使由傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制成的室溫納米激光器的開發(fā)變得復(fù)雜。”


  在此情況下,研究小組選擇了鹵化物鈣鈦礦作為納米激光器的材料。傳統(tǒng)激光器由兩個(gè)關(guān)鍵元件組成:一個(gè)是允許產(chǎn)生相干受激發(fā)射的有源介質(zhì),另一個(gè)是有助于將電磁能量長期限制在內(nèi)部的光學(xué)諧振器。鈣鈦礦能同時(shí)提供這兩種特性:一種特定形狀的納米顆粒既可以作為活性介質(zhì),也可以作為有效的諧振器。


  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、論文的合著者Ekaterina Tiguntseva說:“我們使用飛秒激光脈沖泵浦納米激光,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,之后,納米粒子開始像典型的激光一樣工作。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)工作?!?/p>


  最小半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢


  此次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)的納米顆粒能夠有效限制受激發(fā)射能量,從而為產(chǎn)生激光提供足夠高的電磁場放大率。


  ITMO大學(xué)的初級(jí)研究員、該文的合著者之一Kirill Koshelev解釋說:“我們的想法是,激光產(chǎn)生是一個(gè)閾值過程。你用激光脈沖激發(fā)納米顆粒,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。在先前使用其他材料和系統(tǒng)但具有相似思想的實(shí)驗(yàn)中,表明可以使用四階或五階Mie共振,即光波長處的共振,材料內(nèi)部以激光產(chǎn)生的頻率適合諧振腔體積的四到五倍。我們已經(jīng)證明我們的納米粒子支持三階Mie共振,這是以前從未做過的,換句話說,我們可以在諧振器尺寸等于材料內(nèi)部三個(gè)光波長的條件下產(chǎn)生相干激發(fā)發(fā)射。”


  值得注意的是,不需要施加外部壓力或非常低的溫度來使納米顆粒用作激光器,研究中描述的所有影響都是在正常的大氣壓和室溫下產(chǎn)生的。這使該技術(shù)對(duì)于專注于創(chuàng)建光學(xué)芯片、傳感器和其他使用光來傳輸和處理信息的設(shè)備的專家具有吸引力,其中包括用于光學(xué)計(jì)算機(jī)的芯片。


  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)是,小型納米顆粒激光器的體積通常與發(fā)射的波長具有立方關(guān)系,并且由于綠光的波長比紅外光的波長小三倍,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。

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半導(dǎo)體激光器納米
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