Uniwersytet Pekiński opracował ciągłą technologię perowskituźródło laserowemniejszy niż 1 mikron kwadratowy
Ważne jest, aby skonstruować ciągłe źródło laserowe o powierzchni mniejszej niż 1 μm², aby spełnić wymagania dotyczące niskiego zużycia energii w optycznych połączeniach chipowych (<10 fJ bit-1). Jednak wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru urządzenia, straty optyczne i materiałowe znacznie rosną, dlatego osiągnięcie submikronowych rozmiarów urządzenia i ciągłego pompowania optycznego źródeł laserowych jest niezwykle trudne. W ostatnich latach halogenkowe materiały perowskitowe cieszą się dużym zainteresowaniem w dziedzinie laserów z ciągłym pompowaniem optycznym ze względu na ich wysoki zysk optyczny i unikalne właściwości polarytonów ekscytonowych. Powierzchnia urządzenia perowskitowych źródeł laserowych z ciągłym pompowaniem optycznym, o których do tej pory donoszono, nadal przekracza 10 μm², a wszystkie submikronowe źródła laserowe wymagają do stymulacji światła impulsowego o wyższej gęstości energii pompującej.
W odpowiedzi na to wyzwanie, grupa badawcza Zhang Qing z Wydziału Nauki o Materiałach i Inżynierii Uniwersytetu Pekińskiego z powodzeniem przygotowała wysokiej jakości monokryształy perowskitów submikronowych, aby uzyskać źródła laserowe z ciągłym pompowaniem optycznym o powierzchni urządzenia wynoszącej zaledwie 0,65 μm². Jednocześnie ujawniono foton. Mechanizm polarytonu ekscytonu w submikronowym procesie ciągłego pompowania optycznego jest dogłębnie poznany, co stwarza nowe możliwości rozwoju małych laserów półprzewodnikowych o niskim progu. Wyniki badania, zatytułowane „Lasery perowskitowe pompowane falą ciągłą o powierzchni urządzenia poniżej 1 μm²”, zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Advanced Materials.
W niniejszej pracy mikronowa warstwa nieorganicznego monokryształu perowskitu CsPbBr3 została przygotowana na podłożu szafirowym metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Zaobserwowano, że silne sprzężenie ekscytonów perowskitu z fotonami mikrownęki ściany akustycznej w temperaturze pokojowej prowadziło do powstania polarytonu ekscytonowego. Szereg dowodów, takich jak liniowa lub nieliniowa intensywność emisji, wąska szerokość linii, transformacja polaryzacji emisji i transformacja koherencji przestrzennej przy progu, potwierdza istnienie ciągłego, optycznie pompowanego lasera fluorescencyjnego monokryształu CsPbBr3 o rozmiarach submikronowych, a powierzchnia urządzenia wynosi zaledwie 0,65 μm². Jednocześnie stwierdzono, że próg submikronowego źródła laserowego jest porównywalny z progiem dużego źródła laserowego, a nawet może być niższy (rysunek 1).
Rysunek 1. Ciągły optycznie pompowany submikronowy CsPbBr3źródło światła laserowego
Ponadto, praca ta bada, zarówno eksperymentalnie, jak i teoretycznie, mechanizm ekscytonów spolaryzowanych ekscytonami w realizacji submikronowych źródeł laserowych o działaniu ciągłym. Wzmocnione sprzężenie foton-ekscyton w perowskitach submikronowych skutkuje znacznym wzrostem współczynnika refrakcji grupy do około 80, co znacząco zwiększa wzmocnienie modu, kompensując jego utratę. Prowadzi to również do uzyskania submikronowego źródła laserowego perowskitowego o wyższym efektywnym współczynniku jakości mikrownęki i węższej szerokości linii emisyjnej (rysunek 2). Mechanizm ten dostarcza również nowych spostrzeżeń na temat rozwoju małych laserów niskoprogowych opartych na innych materiałach półprzewodnikowych.
Rysunek 2. Mechanizm działania źródła lasera submikronowego wykorzystującego polaryzony ekscytonowe
Song Jiepeng, student z 2020 roku z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Pekińskiego, jest pierwszym autorem artykułu, a Uniwersytet Pekiński jest jego pierwszą jednostką. Zhang Qing i Xiong Qihua, profesor fizyki na Uniwersytecie Tsinghua, są autorami korespondencyjnymi. Praca została wsparta przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin oraz Pekińską Fundację Naukową dla Wybitnych Młodych Ludzi.
Czas publikacji: 12 września 2023 r.