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物理學家在納米激光器設計上取得重要進展

時間:2019-03-05 10:08來源:實驗幫作者:yeyan 點擊:
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摘要:激光廣泛應用于家用電器、醫藥、工業、電信等領域。幾年前,科學家們引進了納米激光器這一概念。它們的設計類似于幾十年來常用的基于異質結構的傳統半導體激光器。不同之處在于,納米激光器的空腔非常小,與它們發射的光的波長成正比。由于它們主要產生可見光和紅外線,所以其大小大約為百萬分之一米。

關鍵字:激光,激光技術,納米激光器

  激光廣泛應用于家用電器、醫藥、工業、電信等領域。幾年前,科學家們引進了納米激光器這一概念。它們的設計類似于幾十年來常用的基于異質結構的傳統半導體激光器。不同之處在于,納米激光器的空腔非常小,與它們發射的光的波長成正比。由于它們主要產生可見光和紅外線,所以其大小大約為百萬分之一米。
 

  納米激光器具有與宏觀激光器截然不同的獨特性能。然而,幾乎不可能確定在什么電流下納米激光器的輸出輻射是相干的;此外,對于實際應用,區分納米激光器的兩種狀態是很重要的:在大電流下具有相干輸出的真實激光作用和在低電流下具有非相干輸出的類LED狀態。莫斯科物理與技術研究所的研究人員開發了一種方法來確定在什么情況下納米激光器可以被稱為真正的激光器。這項研究發表在《光學快報Optics Express》上。
 

物理學家在納米激光器設計上取得重要進展

  在不久的將來,納米激光器將被集成到集成光學電路中,在集成光學電路中,它們將被用于新一代基于光子波導的高速互連,這將使CPU和GPU的性能提高幾個數量級。同樣,光纖互聯網的出現提高了連速度,同時也提高了能源效率。
 

  到目前為止,這并不是納米激光器唯一可能的應用。研究人員已經在開發化學和生物傳感器,僅僅是百萬分之一米的尺寸,而機械應力傳感器只有幾十億分之一米小。納米激光也有望用于控包括人類在內的活生物體的神經元活動。
 

物理學家在納米激光器設計上取得重要進展

  圖1.(A)傳統宏觀激光器輸出功率和(B)給定溫度下典型納米級激光器對于泵電流的依賴性關系。


  為了使輻射源具有激光的特性,它需要滿足許多要求,主要的一點是必須發射相干輻射。與相干密切相關的一個獨特特性是存在所謂的激光閾值。當泵浦電流低于這個閾值時,輸出輻射大部分是自發的,其特性與傳統的發光二極管(LED)的輸出沒有區別。但一旦達到閾值電流,輻射就會變得連貫。在這一點上,傳統的宏觀激光器的發射光譜縮小,其輸出功率尖峰。后一種特性提供了一種確定激光閾值的簡單方法,即通過研究輸出功率隨泵電流的變化情況(上圖A)。
 

  許多納米激光器的行為與傳統的宏觀激光器一樣,顯示出閾值電流。然而,對于某些設備,激光閾值不能通過分析輸出功率與泵電流曲線來確定,因為它沒有特殊的特征,只是對數刻度上的一條直線(上圖B)。這種納米激光器被稱為“無閾值激光器”,這就提出了一個問題:它們的輻射在什么電流下變得相干,或像激光一樣?
 

  回答這一問題的顯方法是測量相干度。然而,與發射光譜和輸出功率不同,在納米激光器的情況下很難測量相干度,因為這需要能夠以萬億分之一秒記錄強度波動的設備,這是納米激光器內部過程發生的時間尺度。
 

  莫斯科物理和技術研究所的安德烈·維什尼維和德米特里·費迪亞寧發現了一種繞過技術上具有挑戰性的直相干測量的方法。他們開發了一種利用主要激光參數來量化納米激光輻射相干度的方法。研究人員聲稱他們的技術可以確定任何納米激光器的閾值電流(上圖B)。他們發現,即使是一個“無閾值”的納米激光器,實際上也有一個分離發光二極管和激光場的獨特的閾值電流。發射的輻射在這個閾值電流以下是不相干的,在它上面是相干的。
 

物理學家在納米激光器設計上取得重要進展

  圖2.上圖所示為納米激光閾值電流與器件溫度的關系。
 

  令人驚訝的是,納米激光器的閾值電流與輸出特性或發射光譜的縮小沒有任何關系,這是宏觀激光器中激光閾值的標志。圖1b清楚地表,即使在輸出特性中看到一個顯的點,在更高的電流下也會發生到激光狀態的轉變。這是激光科學家們從納米激光中無法預料的。
 

  “我們的計算表,在大多數關于納米激光器的論文中,激光的工作機沒有實現。盡管有研究在輸出特性的扭結點上進行測量,但納米激光發射是不相干的,因為實際的激光閾值是扭結值以上的數量級,”費迪亞寧補充道:“通常,由于納米激光的自加熱,很難實現相干輸出。”
 

  因此,區分錯覺激光閾值與實際激光閾值是非常重要的。雖然相干測量和計算都很困難,但維什涅維奇和費迪亞寧提出了一個簡單的公式,可以應用于任何納米激光。利用這個公式和輸出特性,納米激光工程師現在可以快速測量他們所創建的結構的閾值電流(見圖2)。
 

  維什涅維奇和費迪亞寧報告的研究結果能夠提前預測納米激光的輻射點,而不管其設計如何一致。這將使工程師能夠確定地開發具有預定特性和保證相干的納米激光。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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