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哈佛大学研发出在窄纳线尺度上的世界上最小的激光器

2009-03-10 10:41
瑾年Invader
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       作者:Valerie C. Coffey

       哈佛大学工程学教授Federico Capasso等研究人员表示,他们在直径仅为几百纳米的纳米线中,首次产生了激光输出。纳米线材料和制备技术的全球性进展,使科学家能够通过研究从放大自发辐射(ASE)到阈值以上的激光振荡的转变过程,观察纳米线中的激光输出。[1]


       在此之前,研究人员一直难以获得ASE的超线性区域特性与激光振荡的线性区域特性之间的激光阈值。而且,先前的观测也没有测量源于纳米线末端的高度定向光——这是激光的一个重要特性。通过与德国哥廷根大学和耶拿大学的研究人员合作,哈佛大学的研究人员于室温下在单根氧化锌(ZnO)纳米线中发现了紫外频段的光泵浦激光,并对其进行了相关测量。


       采用简单的气相传输技术,研究人员合成了不同尺寸的单晶ZnO纳米线,这些纳米线的长度从3μm到23μm,直径大约从100nm到 375nm。然后他们将掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)产生的波长为355nm的三倍频激光(重复频率500Hz、脉宽6ns),聚焦为直径100μm的光束,导入单根纳米线中。他们将反射显微物镜与光谱仪耦合,并利用电荷耦合器件(CCD)捕获纳米线端面的发射光。

 

       产生激光输出


       当泵浦强度逐渐升高到大约200kW/cm2时,发射光的性质符合自发辐射的特征,发射光谱为钟形,其中心波长大约为382nm,半高全宽达到 19.3nm。这时光沿着纳米线各向同性地发射,和预期的自发辐射一样,输出强度与激发强度成线性关系。当泵浦强度在200~300kW/cm2之间时,宽的发射光谱上开始出现尖锐的谱线,这表明实现了粒子数反转,并且在沿纳米线的方向上开始产生ASE纵模。在该范围内,输出功率和泵浦强度成超线性关系,这表明正在接近激光阈值。当泵浦强度大于 300kW/cm2时,发射光谱收窄到385~390nm之间,该尖锐谱线的发光强度比自发背景辐射的强度大几个数量级,这表明纳米线中确实产生了激光振荡。此时,输出功率重新与激发强度成线性关系(见图),这符合激光在阈值以上的特性。


       Capasso说:“我们获得了强度明显超过背景辐射的光功率输出。这一点再加上大于阈值时输出功率的线性增加,都是产生激光的确凿证据,这是以前在纳米线中从未获得过的。”


       此外,将纳米线与硅衬底的边缘剥离,就可以使用硅探测器从正面直接记录纳米线端面的发射激光——收集效率为10%时,激光功率高达60μW。另外,研究人员还发现了一个产生激光的关键阈值条件:要产生激光,纳米线的直径必须大于150nm,而纳米线的长度对产生激光没有影响。

 

图. 用紫外激光沿ZnO纳米线的长度方向对其进行光泵浦(下插图)。室温下,在阈值以上的纳米线的发射峰值功率(未校正10%的收集效率)存在线性行为——这是激光输出的直接表现。简单地将纳米线与其硅衬底的边缘剥离,便能够进行直接正面发射探测(上插图)。

       这类小型激光器可以应用于医学或量子信息处理。“合成的腔尺寸意味着这类激光器是非常可控的。未来,我们可能会使用这种小型激光器在体外探测活体细胞,以及引发光活性受体,来研究细胞的响应和路径。通过利用磁性接触,沿着纳米线注入自旋极化电子,我们将首次实现圆偏振激光。更令人激动的是,我们将会看到将纳米线激光器耦合到量子点中。”
Capasso表示,下一个里程碑将是在室温下实现这些激光器的电泵浦。“这将充满挑战。”

参考文献:
1. M. Zimmler et al., Appl. Phys. Lett. 93, 051101-1 (online Aug. 4, 2008).

(编辑:曾聪)

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