研究人员构思出最小的半导体激光器

由ITMO大学的研究人员领导的一个国际研究小组宣布，开发出了世界上最紧凑的半导体激光器，它可以在室温下工作在可见光范围内。根据研究作者的说法，这种激光器是一种只有310纳米大小的纳米粒子(小于1毫米的3000倍)，可以在室温下产生绿色相干光。

今年，国际光学物理学家群体庆祝一个里程碑式事件的周年纪念日：60年前的5月中旬，美国物理学家西奥多·迈曼演示了第一台光学量子发生器--激光器的工作原理。60年后的今天，一个国际科学家团队发表了一项工作，他们在实验中展示了世界上最紧凑的半导体激光器，它在室温下工作在可见光范围内。这意味着它产生的相干绿光可以很容易地记录下来，甚至可以用标准光学显微镜用肉眼看到。

值得一提的是，科学家们成功地攻克了可见光波段的绿色部分，这被认为是纳米激光器的问题。“在现代发光半导体领域，存在着绿隙”问题，“这篇文章的首席研究员、ITMO大学物理与工程学院教授谢尔盖·马卡洛夫(Sergey Makarov)说。绿隙意味着用于发光二极管的传统半导体材料的量子效率在光谱的绿色部分急剧下降。这个问题使常规半导体材料制成的室温纳米激光器的发展变得复杂起来。“。

来自圣彼得堡的一个跨学科研究小组已经选择卤化物钙钛矿作为他们的纳米激光器的材料。传统的激光器由两个关键元件组成-一个允许产生相干受激发射的有源介质和一个有助于将电磁能量长期限制在内部的光学谐振器。钙钛矿可以提供这两种性质：特定形状的纳米颗粒既可以作为有源介质，也可以作为有效的谐振器。

因此，科学家们成功地制造出了一种尺寸为310纳米的立方形粒子，当受到飞秒激光脉冲的光激励时，它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器，”这篇文章的合著者之一、ITMO大学的初级研究员Ekaterina Tiguntseva说。“我们照射孤立的纳米粒子，直到我们达到特定泵浦强度下的激光产生阈值。在那之后，纳米粒子开始像典型的激光器一样工作。我们证明了这样的纳米激光器可以在至少一百万次激发周期内工作。“。

所研制的纳米激光器的独特性并不局限于它的小尺寸。这种新颖的纳米颗粒设计允许有效地限制受激发射能量，以提供足够高的电磁场放大来产生激光。

这篇文章的合著者之一、ITMO大学的初级研究员Kirill Koshelev解释说：“我们的想法是，激光的产生是一个门槛过程。”也就是说，你用激光脉冲激发纳米粒子，当外部光源的强度达到特定阈值时，粒子就开始产生激光发射。如果你不能很好地把光限制在里面，就不会有激光发射。在之前用其他材料和系统进行的实验中，但是类似的想法表明，你可以使用四阶或五阶的Mie共振，这意味着在激光产生的频率下，材料内部的波长与谐振器体积匹配四到五倍的共振。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。换言之，在谐振器尺寸等于材料内部三个波长的光的条件下，我们可以产生相干受激发射。“

另一件重要的事情是，纳米粒子不需要施加外部压力或非常低的温度就可以作为激光器工作。研究中描述的所有效果都是在正常的大气压和室温下产生的。这使得这项技术对专注于创造光学芯片、传感器和其他利用光传输和处理信息的设备(包括用于光学计算机的芯片)的专家具有吸引力。

工作在可见光范围内的激光器的好处是，在所有其他属性相同的情况下，它们比具有相同属性的红外源和红外源要小。问题是，小型激光器的体积一般与发射波长成立方关系，由于绿光的波长比红外光的波长小三倍，所以绿光激光器的小型化极限要大得多。这对于生产用于未来光学计算机系统的超小型部件是必不可少的。