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俄科学家展示室温下可见光范围内的310nm纳米激光

近日,俄罗斯圣光机大学的一个科学团队通过实验展示了他们认为是在室温下可见范围内运行的世界上最紧凑的半导体激光器。该纳米激光器在室温下产生绿色相干光。这种光可以很容易被记录下来,甚至可以用肉眼通过标准光学显微镜看到。

研究人员采用卤化物钙钛矿作为纳米激光材料。因为钙钛矿能够提供两个关键元素——一种产生相干受激辐射的活跃介质和一种有助于限制电磁能量的光学谐振器。

为了在室温下产生激光辐射,研究团队利用钙钛矿制造了一个310纳米呈立方状的纳米粒子,并用飞秒激光脉冲对其进行了光激发。纳米粒子的设计能够有效限制受激辐射,从而能够提供一个足够大的电磁场来生成激光。

研究人员Ekaterina Tiguntseva说:“我们利用飞秒激光脉冲来驱动纳米激光器。然后辐照隔离的纳米颗粒,直到达到特定泵浦强度下的激光产生阈值。在这之后纳米粒子就开始像激光一样工作了。”

研究人员Kirill Koshelev说:“产生激光是一个阈值过程。你用激光脉冲刺激纳米粒子,当外部光源的强度达到一个特定的‘阈值’时,粒子就开始产生激光发射。”

Koshelev说,如果激光内部的光没有被充分限制,就不会有激光生成。“在之前对其他材料和系统的实验中,表明可以使用四阶或五阶Mie共振,也就是说,在激光产生的频率下,材料内的光波长与谐振腔体积匹配的谐振腔体积是四到五倍。”

研究人员表示,他们的粒子支持三阶的Mie共振,即当谐振腔大小等于材料内部光的三个波长时,他们可以产生相干受激辐射。

无需施加外部压力或低温度,纳米颗粒就能像激光一样工作。研究中所描述的所有效应都是在常压和室温下产生的。这使得这项技术可以用于制造光学芯片、传感器和其他利用光传输和处理信息的设备,包括光学计算机芯片。

研究人员表示,传统上认为可见光谱的绿色区域是纳米激光的问题。“在现代的发光半导体领域,存在'绿色缺口'问题,”谢尔盖·马卡罗夫教授说。“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区域急剧下降。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。”

在可见光范围内工作的激光器比具有相同性质的红外光和红外线光源要小。小型激光器的体积通常与发射波长呈立方关系,由于绿光的波长比红外光的波长小三倍,因此绿色激光器的小型化限制更大。研究人员说,这对于生产未来光学计算机系统的超紧凑组件至关重要。

该论文发表在ACS NANO上。

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