?6月4日消息，一個(gè)國際研究人員團隊宣布開(kāi)發(fā)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(jiàn)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(chǎn)生綠色相干光。該研究文章發(fā)表在A(yíng)CS 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?，F在，一個(gè)國際科學(xué)家團隊(其中大部分來(lái)自ITMO大學(xué))報告說(shuō)，他們已通過(guò)實(shí)驗研發(fā)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(jiàn)光范圍內工作，這意味著(zhù)它產(chǎn)生的相干綠光可以很容易地被記錄下來(lái)，甚至可以用標準光學(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特性
科學(xué)家成功地開(kāi)發(fā)了可見(jiàn)帶的綠色部分，這對于納米激光器來(lái)說(shuō)有著(zhù)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(shuō)：“在現代發(fā)光半導體領(lǐng)域，存在著(zhù)‘綠色間隙’問(wèn)題，‘綠色間隙’意味著(zhù)用于發(fā)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(zhù)下降。這個(gè)問(wèn)題使由傳統半導體材料制成的室溫納米激光器的開(kāi)發(fā)變得復雜?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important;"/>
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(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(cháng)期限制在內部的光學(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)的初級研究員、論文的合著(zhù)者Ekaterina Tiguntseva說(shuō)：“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(chǎn)生閾值為止，之后，納米粒子開(kāi)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(wàn)次激發(fā)周期內工作?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important;"/>
最小半導體激光器的優(yōu)勢
此次所研制的納米激光器的獨特性不僅限于其體積小，新設計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(chǎng)放大率。
ITMO大學(xué)的初級研究員、該文的合著(zhù)者之一Kirill Koshelev解釋說(shuō)：“我們的想法是，激光產(chǎn)生是一個(gè)閾值過(guò)程。你用激光脈沖激發(fā)納米顆粒，在外部光源的特定“閾值”強度下，粒子開(kāi)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，就不會(huì )有激光發(fā)射。在先前使用其他材料和系統但具有相似思想的實(shí)驗中，表明可以使用四階或五階Mie共振，即光波長(cháng)處的共振，材料內部以激光產(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(guò)的，換句話(huà)說(shuō)，我們可以在諧振器尺寸等于材料內部三個(gè)光波長(cháng)的條件下產(chǎn)生相干激發(fā)發(fā)射?！?br style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; word-wrap: break-word !important;"/>
值得注意的是，不需要施加外部壓力或非常低的溫度來(lái)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(zhuān)注于創(chuàng )建光學(xué)芯片、傳感器和其他使用光來(lái)傳輸和處理信息的設備的專(zhuān)家具有吸引力，其中包括用于光學(xué)計算機的芯片。
在可見(jiàn)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(shí)是，小型納米顆粒激光器的體積通常與發(fā)射的波長(cháng)具有立方關(guān)系，并且由于綠光的波長(cháng)比紅外光的波長(cháng)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(lái)的光學(xué)計算機系統生產(chǎn)超緊湊組件至關(guān)重要。