近日，俄羅斯圣光機(jī)大學(xué)的一個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)展示了他們認(rèn)為是在室溫下可見范圍內(nèi)運(yùn)行的世界上最緊湊的半導(dǎo)體激光器。該納米激光器在室溫下產(chǎn)生綠色相干光。這種光可以很容易被記錄下來，甚至可以用肉眼通過標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)顯微鏡看到。

研究人員采用鹵化物鈣鈦礦作為納米激光材料。因?yàn)殁}鈦礦能夠提供兩個(gè)關(guān)鍵元素——一種產(chǎn)生相干受激輻射的活躍介質(zhì)和一種有助于限制電磁能量的光學(xué)諧振器。

為了在室溫下產(chǎn)生激光輻射，研究團(tuán)隊(duì)利用鈣鈦礦制造了一個(gè)310納米呈立方狀的納米粒子，并用飛秒激光脈沖對(duì)其進(jìn)行了光激發(fā)。納米粒子的設(shè)計(jì)能夠有效限制受激輻射，從而能夠提供一個(gè)足夠大的電磁場(chǎng)來生成激光。

研究人員Ekaterina Tiguntseva說：“我們利用飛秒激光脈沖來驅(qū)動(dòng)納米激光器。然后輻照隔離的納米顆粒，直到達(dá)到特定泵浦強(qiáng)度下的激光產(chǎn)生閾值。在這之后納米粒子就開始像激光一樣工作了。”

研究人員Kirill Koshelev說：“產(chǎn)生激光是一個(gè)閾值過程。你用激光脈沖刺激納米粒子，當(dāng)外部光源的強(qiáng)度達(dá)到一個(gè)特定的‘閾值’時(shí)，粒子就開始產(chǎn)生激光發(fā)射。”

Koshelev說，如果激光內(nèi)部的光沒有被充分限制，就不會(huì)有激光生成。“在之前對(duì)其他材料和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，表明可以使用四階或五階Mie共振，也就是說，在激光產(chǎn)生的頻率下，材料內(nèi)的光波長(zhǎng)與諧振腔體積匹配的諧振腔體積是四到五倍。”

研究人員表示，他們的粒子支持三階的Mie共振，即當(dāng)諧振腔大小等于材料內(nèi)部光的三個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，他們可以產(chǎn)生相干受激輻射。

無需施加外部壓力或低溫度，納米顆粒就能像激光一樣工作。研究中所描述的所有效應(yīng)都是在常壓和室溫下產(chǎn)生的。這使得這項(xiàng)技術(shù)可以用于制造光學(xué)芯片、傳感器和其他利用光傳輸和處理信息的設(shè)備，包括光學(xué)計(jì)算機(jī)芯片。

研究人員表示，傳統(tǒng)上認(rèn)為可見光譜的綠色區(qū)域是納米激光的問題。“在現(xiàn)代的發(fā)光半導(dǎo)體領(lǐng)域，存在＇綠色缺口＇問題，”謝爾蓋·馬卡羅夫教授說。“綠色間隙意味著，用于發(fā)光二極管的常規(guī)半導(dǎo)體材料的量子效率在光譜的綠色區(qū)域急劇下降。這個(gè)問題使由常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的室溫納米激光器的開發(fā)變得復(fù)雜。”

在可見光范圍內(nèi)工作的激光器比具有相同性質(zhì)的紅外光和紅外線光源要小。小型激光器的體積通常與發(fā)射波長(zhǎng)呈立方關(guān)系，由于綠光的波長(zhǎng)比紅外光的波長(zhǎng)小三倍，因此綠色激光器的小型化限制更大。研究人員說，這對(duì)于生產(chǎn)未來光學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的超緊湊組件至關(guān)重要。

該論文發(fā)表在ACS NANO上。