?6月4日消息，一個國際研究人員團(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)演示了第一臺光學(xué)量子發(fā)生器——激光器的工作原理。現(xiàn)在，一個國際科學(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)激光器由兩個關(guān)鍵元件組成：一個是允許產(chǎn)生相干受激發(fā)射的有源介質(zhì)，另一個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，可以在室溫下產(chǎn)生激光輻射。
ITMO大學(xué)的初級研究員、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。”
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于綠光激光器要大得多，這對于為未來的光學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)超緊湊組件至關(guān)重要。