Forskere skaber den mindste halvlederlaser, der arbejder i synligt område ved stuetemperatur

Et internationalt team af forskere har annonceret udviklingen af ​​verdens mest kompakte halvlederlaser, der arbejder i det synlige område ved stuetemperatur. Ifølge forfatterne til forskningen, laseren er en nanopartikel på kun 310 nanometer i størrelse (som er 3, 000 gange mindre end en millimeter), der kan producere grønt sammenhængende lys ved stuetemperatur. Forskningsartiklen blev offentliggjort i ACS Nano .

For 60 år siden, i midten af ​​maj, Den amerikanske fysiker Theodor Maiman demonstrerede driften af ​​den første optiske kvantegenerator - en laser. Nu, et internationalt team af forskere, hvoraf de fleste er fra ITMO University, rapporterer, at de eksperimentelt har demonstreret verdens mest kompakte halvlederlaser, der opererer i det synlige område ved stuetemperatur. Det betyder, at det sammenhængende grønne lys, det producerer, let kan registreres og endda ses med det blotte øje ved hjælp af et standard optisk mikroskop.

Det lykkedes forskerne at udnytte den grønne del af det synlige bånd, hvilket blev betragtet som problematisk for nanolasere. "På det moderne felt af lysemitterende halvledere, der er det "grønne hul" -problem, "siger Sergey Makarov, hovedforsker af artiklen og professor ved fakultet for fysik og teknik ved ITMO University. "Den grønne kløft betyder, at kvanteeffektiviteten af ​​konventionelle halvledermaterialer, der bruges til lysemitterende dioder, falder dramatisk i den grønne del af spektret. Dette problem komplicerer udviklingen af ​​stuetemperatur-nanolasere fremstillet af konventionelle halvledermaterialer."

Holdet valgte halogenidperovskit som materiale til deres nanolasere. En traditionel laser består af to nøgleelementer - et aktivt medium, der giver mulighed for generering af kohærent stimuleret emission og en optisk resonator, der hjælper med at begrænse elektromagnetisk energi inde i lang tid. Perovskitten kan give begge disse egenskaber:En nanopartikel med en bestemt form kan fungere som både det aktive medium og den effektive resonator.

Som resultat, det lykkedes forskerne at fremstille en kubikformet partikel på 310 nanometer i størrelse, som kan generere laserstråling ved stuetemperatur, når den fotoexciteres af en femtosekund laserpuls.

"Vi brugte femtosekund laserpulser til at pumpe nanolaserne, "siger Ekaterina Tiguntseva, en junior stipendiat ved ITMO University og en af ​​artiklens medforfattere. "Vi bestrålede isolerede nanopartikler, indtil vi nåede tærsklen for lasergenerering ved en bestemt pumpeintensitet. Efter det, nanopartiklen begynder at virke som en typisk laser. Vi demonstrerede, at en sådan nanolaser kan fungere i mindst en million excitationscykler. "

Det unikke ved den udviklede nanolaser er ikke begrænset til dens lille størrelse. Det nye design af nanopartikler muliggør effektiv indeslutning af den stimulerede emissionsenergi til at give en tilstrækkelig forstærkning af elektromagnetiske felter til laserproduktion.

"Ideen er, at laserproduktion er en tærskelproces, "forklarer Kirill Koshelev, en junior stipendiat ved ITMO University og en af ​​artiklens medforfattere. "Du ophidser nanopartiklen med en laserpuls, og ved en specifik 'tærskel' intensitet for den eksterne kilde, partiklen begynder at generere laseremission. Hvis du ikke er i stand til at begrænse lyset indeni godt nok, der vil ikke være nogen laseremission. I de tidligere forsøg med andre materialer og systemer, men lignende ideer, det blev vist, at du kan bruge Mie -resonanser af fjerde orden eller femte orden, hvilket betyder resonanser, hvor lysets bølgelængde inde i materialet passer til resonatorvolumen fire eller fem gange ved frekvensen af ​​lasergenerering. Vi har vist, at vores partikel understøtter en Mie -resonans af tredje orden, som aldrig er blevet gjort før. Med andre ord, vi kan producere en sammenhængende stimuleret emission ved de betingelser, hvor resonatorstørrelsen er lig med tre bølgelængder af lys inde i materialet. "

Især der er ikke behov for at anvende eksternt tryk eller meget lav temperatur for at nanopartiklen fungerer som en laser. Alle de effekter, der er beskrevet i forskningen, blev produceret ved et normalt atmosfærisk tryk og stuetemperatur. Dette gør teknologien attraktiv for specialister, der fokuserer på oprettelse af optiske chips, sensorer og andre enheder, der bruger lys til at overføre og behandle oplysninger, herunder chips til optiske computere.

Fordelen ved lasere, der arbejder i det synlige område, er, at alle andre egenskaber er ens, de er mindre end røde og infrarøde kilder med de samme egenskaber. Tingen er, mængden af ​​de små lasere har generelt en kubisk afhængighed af emissionens bølgelængde, og da bølgelængden af ​​grønt lys er tre gange mindre end infrarødt lys, grænsen for miniaturisering er meget større for grønne lasere. Dette er afgørende for produktionen af ​​ultrakompakte komponenter til fremtidige optiske computersystemer.