科學家制造出世界上較小尺寸的半導體激光器

　　【儀表網 儀表研發】6月4日消息，據外媒報道，一個研究人員團隊宣布開發出世界上較緊湊、尺寸較小的半導體激光器，該激光器可在室溫下的可見光范圍內工作。據作者介紹，該激光器是只有310納米大小的納米粒子(比毫米小3000倍)，可以在室溫下產生綠色相干光。該研究文章發表在ACS Nano上。
 

 

　　六十年前的五月中旬，美國物理學家西奧多·邁曼(Theodor Maiman)演示了第一臺光學量子發生器——激光器的工作原理。現在，一個科學家團隊(其中大部分來自ITMO大學)報告說，他們已通過實驗研發出了世界上較緊湊的半導體激光器，該激光器在室溫下的可見光范圍內工作，這意味著它產生的相干綠光可以很容易地被記錄下來，甚至可以用標準光學顯微鏡用肉眼看到。
 

　　鈣鈦礦納米顆粒作為激光器材料的獨特性
 

　　科學家成功地開發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。這篇文章的研究員、ITMO大學物理與工程學院教授謝爾蓋·馬卡羅夫說：“在現代發光半導體領域，存在著‘綠色間隙’問題，‘綠色間隙’意味著用于發光二極管的傳統半導體材料的量子效率在光譜的綠色部分顯著下降。這個問題使由傳統半導體材料制成的室溫納米激光器的開發變得復雜。”
 

　　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。傳統激光器由兩個關鍵元件組成：一個是允許產生相干受激發射的有源介質，另一個是有助于將電磁能量長期限制在內部的光學諧振器。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，也可以作為有效的諧振器。
 

　　結果，科學家成功地制造了310納米大小的立方體形狀的粒子，當它被飛秒激光脈沖激發時，可以在室溫下產生激光輻射。
 

　　ITMO大學的初級研究員、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，直到達到特定泵浦強度的激光產生閾值為止，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周期內工作。”
 

　　小半導體激光器的優勢
 

　　此次所研制的納米激光器的獨特性不于其體積小，新設計的納米顆粒能夠有效限制受激發射能量，從而為產生激光提供足夠高的電磁場放大率。
 

　　ITMO大學的初級研究員、該文的合著者之一Kirill Koshelev解釋說：“我們的想法是，激光產生是一個閾值過程。你用激光脈沖激發納米顆粒，在外部光源的特定“閾值”強度下，粒子開始產生激光發射。如果你不能把光限制在足夠好的范圍內，就不會有激光發射。在先前使用其他材料和系統但具有相似思想的實驗中，表明可以使用四階或五階Mie共振，即光波長處的共振，材料內部以激光產生的頻率適合諧振腔體積的四到五倍。我們已經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部三個光波長的條件下產生相干激發發射。”
 

　　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生的。這使該技術對于專注于創建光學芯片、傳感器和其他使用光來傳輸和處理信息的設備的專家具有吸引力，其中包括用于光學計算機的芯片。
 

　　在可見光范圍內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。事實是，小型納米顆粒激光器的體積通常與發射的波長具有立方關系，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計算機系統生產超緊湊組件至關重要。