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物理学家在纳米激光器设计上取得重要进展

2019-05-05

激光广泛应用于家用电器、医药、工业、电信等领域。几年前,科学家们引进了纳米激光器这一概念。它们的设计类似于几十年来常用的基于异质结构的传统半导体激光器。不同之处在于,纳米激光器的空腔非常小,与它们发射的光的波长成正比。由于它们主要产生可见光和红外线,所以其大小大约为百万分之一米。

纳米激光器具有与宏观激光器截然不同的独特性能。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是相干的;此外,对于实际应用,区分纳米激光器的两种状态是很重要的:在大电流下具有相干输出的真实激光作用和在低电流下具有非相干输出的类LED状态。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可以被称为真正的激光器。这项研究发表在《光学快报Optics Express》上。

在不久的将来,纳米激光器将被集成到集成光学电路中,在集成光学电路中,它们将被用于新一代基于光子波导的高速互连,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速度,同时也提高了能源效率。

到目前为止,这并不是纳米激光器唯一可能的应用。研究人员已经在开发化学和生物传感器,仅仅是百万分之一米的尺寸,而机械应力传感器只有几十亿分之一米小。纳米激光也有望用于控包括人类在内的活生物体的神经元活动。

图1.(A)传统宏观激光器输出功率和(B)给定温度下典型纳米级激光器对于泵电流的依赖性关系。


为了使辐射源具有激光的特性,它需要满足许多要求,主要的一点是必须发射相干辐射。与相干密切相关的一个独特特性是存在所谓的激光阈值。当泵浦电流低于这个阈值时,输出辐射大部分是自发的,其特性与传统的发光二极管(LED)的输出没有区别。但一旦达到阈值电流,辐射就会变得连贯。在这一点上,传统的宏观激光器的发射光谱缩小,其输出功率尖峰。后一种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(上图A)。

许多纳米激光器的行为与传统的宏观激光器一样,显示出阈值电流。然而,对于某些设备,激光阈值不能通过分析输出功率与泵电流曲线来确定,因为它没有特殊的特征,只是对数刻度上的一条直线(上图B)。这种纳米激光器被称为“无阈值激光器”,这就提出了一个问题:它们的辐射在什么电流下变得相干,或像激光一样?

回答这一问题的显方法是测量相干度。然而,与发射光谱和输出功率不同,在纳米激光器的情况下很难测量相干度,因为这需要能够以万亿分之一秒记录强度波动的设备,这是纳米激光器内部过程发生的时间尺度。

莫斯科物理和技术研究所的安德烈·维什尼维和德米特里·费迪亚宁发现了一种绕过技术上具有挑战性的直相干测量的方法。他们开发了一种利用主要激光参数来量化纳米激光辐射相干度的方法。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(上图B)。他们发现,即使是一个“无阈值”的纳米激光器,实际上也有一个分离发光二极管和激光场的独特的阈值电流。发射的辐射在这个阈值电流以下是不相干的,在它上面是相干的。

图2.上图所示为纳米激光阈值电流与器件温度的关系。

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缩小没有任何关系,这是宏观激光器中激光阈值的标志。图1b清楚地表,即使在输出特性中看到一个显的点,在更高的电流下也会发生到激光状态的转变。这是激光科学家们从纳米激光中无法预料的。

“我们的计算表,在大多数关于纳米激光器的论文中,激光的工作机没有实现。尽管有研究在输出特性的扭结点上进行测量,但纳米激光发射是不相干的,因为实际的激光阈值是扭结值以上的数量级,”费迪亚宁补充道:“通常,由于纳米激光的自加热,很难实现相干输出。”

因此,区分错觉激光阈值与实际激光阈值是非常重要的。虽然相干测量和计算都很困难,但维什涅维奇和费迪亚宁提出了一个简单的公式,可以应用于任何纳米激光。利用这个公式和输出特性,纳米激光工程师现在可以快速测量他们所创建的结构的阈值电流(见图2)。

维什涅维奇和费迪亚宁报告的研究结果能够提前预测纳米激光的辐射点,而不管其设计如何一致。这将使工程师能够确定地开发具有预定特性和保证相干的纳米激光。

(来源:)

 



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