研究人員開發了世界上最緊湊的半導體激光器

近日，由ITMO大學的研究人員領導的國際研究人員團隊宣布，在室溫下的可見光范圍內開發了世界上最緊湊的半導體激光器。根據研究團隊作者描述，這種激光是只有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，甚至可以使用標準的光學顯微鏡用肉眼看到。

值得一提的是，科學家成功地克服了可見光帶的綠色部分，該文章的主要研究者，ITMO大學物理與工程學院教授謝爾蓋·馬卡羅夫(Sergey Makarov)表示：“在現代發光半導體領域，存在“綠色缺口”問題“，綠色間隙意味著，用于發光二極管的常規半導體材料的量子效率在光譜的綠色部分急劇下降，這個問題使由常規半導體材料制成的室溫納米激光器的發展復雜化。”

ITMO大學研究團隊選擇了鈣鈦礦鹵化物作為其納米激光的材料。傳統的激光器由兩個關鍵元素組成-允許產生相干激發發射的活性介質和有助于將電磁能長時間限制在內部的光學諧振器，鈣鈦礦可以提供這兩種特性：某種形狀的納米粒子既可以充當活性介質，又可以充當高效諧振器。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，該論文的合著者之一Ekaterina Tiguntseva說。“我們使用飛秒激光脈沖泵浦納米激光，我們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運行。” 研究團隊所研制的納米激光器的獨特性不僅限于其體積小，新設計的納米粒子還能夠有效限制受激發射能量，為激光產生提供足夠高的電磁場放大。

ITMO大學的初級研究員，文章的合著者之一Kirill Koshelev解釋說：“這個想法是激光產生是一個閾值過程。也就是說，你用激光脈沖激發納米粒子，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。在之前的其他材料和系統的實驗中，但是類似的想法，它表明你可以使用四階或五階的Mie共振，這意味著在激光產生的頻率下，材料中的光波長與諧振器體積匹配四到五倍的共振。我們已經證明了我們的粒子支持三階Mie共振，這是以前從未做過的。換句話說，當諧振器的尺寸等于材料內部三個波長的光時，我們可以產生相干受激發射。”

另一個重要的事情是，無需施加外部壓力或非常低的溫度即可使納米粒子用作激光。研究中描述的所有效應都是在正常的大氣壓和室溫下產生的。這使得這項技術對專注于制造光學芯片、傳感器和其他使用光來傳輸和處理信息的設備(包括用于光學計算機的芯片)的專家具有吸引力。

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。事實上，小型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。