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纳米级激光器获得重大突破!
关键词:激光器 纳米
2020-02-25

激光广泛应用于家用电器、医药、工业、电信等领域。几年前,科学家们引入了纳米拉塞尔。它们的设计类似于几十年来普遍使用的基于异质结构的传统半导体激光器。不同之处在于,纳米拉色剂的空腔非常小,这是根发出的光的波长来决定。由于它们主要产生可见光和红外光,所以它们的大小大约是一米的百万分之一。纳米材料具有与宏观激光明显不同的独特性质。然而,几乎不可能确定在什么电流下,纳米激光器的输出辐射变得相干,此外在实际应用中,重要的是要区分纳米激光器的两种状态:具有高电流相干输出的真实激光作用和具有低电流非相干输出的led样状态。来自莫斯科物理与技术研究所的研究人员开发了一种方法来确定在什么情况下纳米激光器才算真正的激光器。



博科园-科学科普:这项研究发表在《光学快报》上。在不久的将来,纳米硅将被整合到集成光学电路中,这是基于光子波导的新一代高速互连所必需,这将使cpu和gpu的性能提高几个数量级。同样,光纤互联网的出现提高了连接速度,同时也提高了能源效率。到目前为止,这并不是纳米拉瑟唯一可能的应用。研究人员已经在开发化学和生物传感器,只有百万分之一米大,而机械应力传感器只有十亿分之一米小。纳米聚糖还有望用于控制包括人类在内的生物神经元活动。要使辐射源成为合格的激光器,它需要满足许多要求,其中最主要的是它必须发射相干辐射。与相干性密切相关的一个显著特性是存在所谓的激光阈值。当泵浦电流低于这个阈值时,输出辐射主要是自发的,其特性与传统发光二极管(leds)的输出没有什么不同。



nanolaser测试,图片:tsarcyanide/mipt但是一旦达到阈值电流,辐射就会变得相干。在这一点上,传统的宏观激光发射光谱缩小,其输出功率峰值。后一个特性提供了一种确定激光阈值的简单方法——即通过研究输出功率随泵电流的变化情况(图1a)。许多纳米分子筛的行为与传统的宏观分子筛相同,表现出阈值电流。然而,对于某些器件,由于它没有特殊的特性,只是log-log刻度上的一条直线(图1b中的红线),因此不能通过分析输出功率与泵电流曲线来确定激光阈值。这种纳米聚糖被称为“无阈值”。这就提出了一个问题:在什么电流下它们的辐射会变得相干,或者像激光一样?回答这个问题最明显的方法是测量相干性。然而,与发射光谱和输出功率不同,相干性在纳米激光器中很难测量因为这需要能够记录强度波动在万亿分之一秒(纳米激光器内部过程发生的时间尺度)的设备。



在给定温度下,传统宏观激光器(a)和典型纳米激光器(b)的输出功率与泵浦电流的关系。图片:a.a. vyshnevyy and d.yu. fedyanin, doi: 10.1364/oe.26.033473莫斯科物理技术研究所的andrey vyshnevyy和dmitry fedyanin找到了一种绕过具有技术挑战性的直接相干测量的方法。他们开发了一种方法,使用主要的激光参数来量化纳米激光辐射的相干性。研究人员声称他们的技术可以确定任何纳米激光器的阈值电流(图1b)。他们发现,即使是“无阈值”的纳米激光器,实际上也有一个独特的阈值电流将led和激光分开。发射的辐射在阈值电流以下是不相干的,在阈值电流以上是相干的。令人惊讶的是,纳米激光器的阈值电流与输出特性或发射光谱的变窄没有任何关系,而这些都是宏观激光中激光阈值的特征。图1b清楚地显示,即使在输出特性中看到一个明显的扭结,在更高的电流下也会发生向激光状态的转变。这是激光科学家们无法从纳米激光中期待的。



纳米激光器阈值电流与器件温度的关系,蓝色和绿色曲线很好地近似了红线所示的准确值。图片:andrey a. vyshnevyy and dmitry yu. fedyanin, doi: 10.1364/oe.26.033473计算表明,在大多数关于纳米激光器的论文中,激光系统并没有实现。尽管研究人员在输出特性上测量了扭结以上的激光,但纳米激光器发射是不连贯的,因为实际的激光阈值是扭结值以上的数量级。通常,由于纳米激光器的自热,根本不可能实现一致的输出。因此将虚激光阈值与实际激光阈值区分开来是非常重要的。尽管相干性测量和计算都很困难,维什涅夫斯基和费迪亚宁提出了一个可以应用于任何纳米激光器的简单公式。利用这个公式和输出特性,nanolaser工程师现在可以快速测量他们创建结构的阈值电流(见图2)。vyshnevyy和fedyanin报告的研究结果使我们能够提前预测纳米激光器的辐射(无论它的设计是什么)变得一致的那一点。这将使工程师能够确定性地开发具有预定特性和保证相干性的纳米激光器。




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