Ultrastabile billige kolloide kvanteprikmikrolasere med driftstemperatur op til 450 K

Højtydende mikro-/nanostrukturlasere, som multifunktionelle optiske kildekomponenter, er af stor betydning for optoelektroniske enheder. Mod dette mål, videnskabsmænd i Kina opfandt en højeffektiv ultrastabil lavpris kvantepunktmikrolaser, som kan betjenes selv ved 450 K, den højeste driftstemperatur for kvantepunktlasere. Den innovative teknik fremmer i væsentlig grad dens udvikling fra basal performance-undersøgelsen til den praktiske seniorkompatibilitet til lavtemperaturmikrolasere med høj temperatur og forudsigelig kommercialisering.

Lavdimensionelle kolloide kvanteprikker (CQD) har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres unikke strukturer, ekstraordinære optiske egenskaber, og billige forberedelsesprocesser. Siden deres første syntese i 1990'erne, motivation til at realisere højtydende lavpris CQD mikro-/nanolasere har været en drivkraft i mere end tre årtier. Imidlertid, den lave pakningstæthed, ineffektiv kobling af CQD med optiske hulrum, og den dårlige termiske stabilitet af miniaturiserede komplekse systemer gør det udfordrende at opnå praktiske CQD mikro-/nanolasere, især at kombinere den kontinuerlige arbejdsevne ved høje temperaturer og lavprispotentialet med masseproducerede synteseteknologier. Derfor, at løse ovenstående nøgleproblemer effektivt kræver nye ideer, der adskiller sig fra traditionel CQD-laserforskning.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Hongxing Dong og professor Long Zhang fra Key Laboratory of Materials for High-Power Laser, Shanghai Institut for Optik og Finmekanik, det kinesiske videnskabsakademi, Kina, og kolleger har udviklet en ny samlingsteknik kombineret med sol-gel-metoden til at fremstille CQD-samlede mikrosfærer (CQDAM'er) størknet i en silicamatrix, som ikke kun garanterer, at CQDAM'erne fungerer stabilt ved høje temperaturer, men også løser problemerne med forstærkningspakningstæthed og koblingseffektivitet.

Forskere opnåede først single-mode lasing baseret på størkede CQDAM'er med driftstemperaturer op til 450 K. Hidtil har dette er den højeste driftstemperatur for CQD mikrolasere. Selvom de konstant arbejder i et miljø med så høje temperaturer, det stabile output af laserimpulser kan opretholdes i 40 min. Ved at ændre sammensætningen og/eller størrelsen af ​​CQD, single-mode lasing kan udvides til hele det synlige spektrale område. I øvrigt, den løsningsbearbejdelige metode har fordelene ved lave omkostninger og potentiale for masseproduktion. Det kræver ikke kompleks optisk hulrumsbehandling, hvilket betyder, at der ikke kræves dyrt udstyr eller ekstremt kompleks behandling. I mellemtiden disse CQDAMs lasere kan i høj grad integreres i et mikrosubstrat, og også anvendelig til andre former for halvledernanopartikler, som fremmer forudsigelig kommerciel anvendelsesværdi i højtemperatur billige mikrointegrerede optoelektroniske enheder.

Inden for forskningsområdet for mikro-/nanolasers enheder, højtydende lavpris CQD-laser er et vigtigt varmt emne. Desværre, udviklingen er åbenlyst hysteretisk i betragtning af sameksistensen af ​​udfordringerne på flere niveauer, det er, (1) det grundlæggende krav til fremragende laserydelse (2) den salgsfremmende evne til at opfylde anvendelsesbetingelserne såsom kontinuerligt arbejde med høj stabilitet, anvendelighed i højtemperaturmiljøer; (3) kombinationen af ​​billige produktionsfordele og fordelene i tidligere punkter (1) (2). Disse videnskabsmænd opsummerer de originale designideer for deres mikrolasere:

"Fra forstærkningsmediets synspunkt, de selvmonterede CQD'er når næsten den høje grænse for pakningstæthed, sikre tilstrækkelig optisk forstærkning. Fra lys-stof-koblingens synspunkt, sådanne CQDAM-prøver bruges både som forstærkningsmaterialer og som optiske mikrokaviteter, fuld forbedring af lys-stof-koblingseffektiviteten. Fra synspunktet om optisk kavitets ydeevne, den sfæriske WGM mikrokavitet kan effektivt forbedre indeslutningsevnen for hulrumsfotoner. For en CQDAM-prøve med volumen på omkring 1 μm ^-3 , der kunne kun være en enkelt resonanstilstand udført i emissionsbølgelængdeområdet. Imidlertid, Q-faktoren for operativ tilstand kunne være 10 ⁴ . Mest vigtigt, vi kombinerer disse tre fordele ved forskellige aspekter sammen til CQDAM -prøven. "

"Udover ovenstående laserparametre, laserstabiliteten ved høj temperatur er også et vigtigt aspekt relateret til kommercialiseringspotentiale. Varmeafledningsproblemet er en iboende og uundgåelig vanskelighed for den næste generation af mikrochip-integrerede laserenheder. I dette arbejde, den operative temperatur af CQD mikrolaser er demonstreret til 450 K. Desuden, CQDs mikrolaser kan integreres med høj densitet med fremragende arbejdsevne selv ved så høj en temperatur. Ud over, vores unikke, men generiske fremstillingsmetode for CQD -mikrolasere er meget attraktiv og lovende ud fra et kommercielt synspunkt, hvor den i høj grad kan reducere produktionsomkostninger og forenkle fremstillingsprocessen, derved gavner deres storstilede industriproduktion. Med andre ord, denne yderst effektive løsningsforberedelsesproces behøver ikke komplekse behandlingsteknikker og dyrt behandlingsudstyr, omkostningerne er hovedsageligt de billige materialer. Denne omkostningseffektive fremstillingsevne og den fleksible integrationsevne baner en ny rute og lover et stort potentiale i udviklingen af ​​CQD-mikrolasere fra laboratorium til industrialisering, " tilføjede de.

"Ud over, lige siden den første demonstration af stimuleret emission fra CQD, jagten på elektrisk pumpet CQD-lasing er blevet genstand for intens forskning. Interessant nok, vores CQDAM'er kan fungere som både et forstærkningsmedium og et optisk hulrum, som let kan inkorporeres i den elektroluminescerende arkitektur som et emitterende lag for at muliggøre elektrisk pumpede nanolasere. Faktisk, realiseringen af ​​en elektroinduceret mikrolaser er en stor udfordring, og mere komplekse problemer skal løses, som også er en vigtig del af vores fremtidige forskning, " forudsiger forskerne.