科学家制造出最小的半导体激光器-比毫米小3000倍

科学家制造出最小的半导体激光器，该激光器在室温下在可见范围内工作。

由ITMO大学的研究人员领导的国际研究人员团队宣布，开发了世界上最紧凑的半导体激光器，该激光器可在室温下在可见光范围内工作。根据研究的作者，激光是只有310纳米大小的纳米粒子（比一毫米小3,000倍），可以在室温下产生绿色相干光。该研究文章发表在ACS Nano上。

今年，国际光学物理学家协会庆祝了这一里程碑事件的周年纪念日：60年前，5月中旬，美国物理学家西奥多·迈曼（Theodor Maiman）演示了第一台光学量子发生器-激光器的操作。六十年后的今天，一个国际科学家团队发表了一篇论文，他们在实验上演示了世界上最紧凑的半导体激光器，该激光器在室温下在可见光范围内工作。这意味着它产生的相干绿光可以很容易地被记录，甚至可以使用标准的光学显微镜用肉眼看到。

值得一提的是，科学家成功地克服了可见光波段的绿色部分，这对于纳米激光来说是有问题的。本文的主要研究人员，ITMO大学物理与工程学院教授谢尔盖·马卡罗夫（Sergey Makarov）表示：“在现代发光半导体领域，存在“绿色缺口”问题。“绿色间隙意味着，用于发光二极管的常规半导体材料的量子效率在光谱的绿色部分显着下降。这个问题使由常规半导体材料制成的室温纳米激光器的开发变得复杂。”

来自圣彼得堡的一个跨学科研究团队选择了钙钛矿卤化物作为其纳米激光的材料。传统的激光器由两个关键元素组成-允许产生相干受激发射的活性介质和有助于将电磁能长时间限制在内部的光学谐振器。钙钛矿可以提供这两种特性：某种形状的纳米粒子既可以充当活性介质，又可以充当高效谐振器。

结果，科学家成功地制造了310纳米大小的立方体形状的粒子，当它被飞秒激光脉冲激发时，可以在室温下产生激光辐射。

“我们使用飞秒激光脉冲泵浦纳米激光，” ITMO大学的初级研究员，该论文的合著者之一Ekaterina Tiguntseva说。“我们辐照了孤立的纳米颗粒，直到达到特定泵浦强度的激光产生阈值为止。”此后，纳米颗粒开始作为典型的激光器工作。我们证明了这种纳米激光可以在至少一百万次激发周期内运行。

所开发的纳米激光的独特性不限于其小尺寸。纳米粒子的新颖设计可有效限制受激发射能量，从而为产生激光提供足够高的电磁场放大率。

ITMO大学的初级研究员，文章的合著者之一Kirill Koshelev解释说：“想法是激光的产生是一个阈值过程。”“IE。您用激光脉冲激发纳米粒子，并且在外部源的特定“阈值”强度下，粒子开始产生激光发射。如果您无法将光线完全限制在内部，则不会发出激光。在先前使用其他材料和系统但具有相似思想的实验中，表明可以使用四阶或五阶Mie共振，这意味着材料内部的光波长适合共振器体积的四倍或五倍的共振。以激光产生的频率。我们已经证明，我们的粒子支持三阶Mie共振，这是以前从未做过的。换句话说，在谐振腔尺寸等于材料内部三个光波长的条件下，我们可以产生相干受激发射。

另一个重要的事情是，无需施加外部压力或非常低的温度即可使纳米颗粒用作激光。研究中描述的所有效应都是在正常的大气压和室温下产生的。这使该技术对专注于创建光学芯片，传感器和其他使用光来传输和处理信息的设备的专家具有吸引力，其中包括用于光学计算机的芯片。

在可见光范围内工作的激光的好处是，在所有其他特性相同的情况下，它们比具有相同特性的红色和红外光源小。事实是，小型激光器的体积通常与发射波长具有立方关系，并且由于绿光的波长比红外光的波长小三倍，因此小型化的极限对于绿光激光器要大得多。这对于为未来的光学计算机系统生产超紧凑组件至关重要。

参考：“由三重共振非等离子体纳米粒子产生的室温”，作者：Ekaterina Tiguntseva，Kirill Koshelev，Alexandra Furasova，Pavel Tonkaev，Vladimir Mikhailovskii，Elena V.Ushakova，Denis G.Baranov，Timur Shegai，Anvar Yu。Zakhov和Sergey V.Makarov，2020年6月2日，ACS Nano.DOI：
10.1021 / acsnano.0c01468