Uniwersytet w Pekinie zrealizował ciągły proces perowskituźródło laserowemniejszy niż 1 mikron kwadratowy
Ważne jest, aby skonstruować ciągłe źródło lasera o powierzchni urządzenia mniejszej niż 1 μm2, aby spełnić wymagania dotyczące niskiego zużycia energii w przypadku połączeń optycznych na chipie (<10 fJ bit-1). Jednakże wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru urządzenia straty optyczne i materiałowe znacznie rosną, więc osiągnięcie rozmiarów urządzenia poniżej mikrona i ciągłego pompowania optycznego źródeł laserowych jest niezwykle trudne. W ostatnich latach halogenkowe materiały perowskitowe wzbudziły duże zainteresowanie w dziedzinie ciągłych laserów pompowanych optycznie ze względu na ich wysokie wzmocnienie optyczne i unikalne właściwości polarytonu ekscytonu. Zgłoszona dotychczas powierzchnia urządzeń perowskitowych ciągłych źródeł laserowych jest nadal większa niż 10 μm2, a wszystkie submikronowe źródła laserowe wymagają do stymulacji światła pulsacyjnego o większej gęstości energii pompy.
W odpowiedzi na to wyzwanie grupie badawczej Zhanga Qinga ze Szkoły Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu w Pekinie z powodzeniem przygotowano wysokiej jakości submikronowe materiały monokrystaliczne perowskitowe, aby uzyskać ciągłe optyczne źródła laserowe pompujące o powierzchni urządzenia zaledwie 0,65 μm2. W tym samym czasie zostaje ujawniony foton. Mechanizm polarytonu ekscytonowego w submikronowym ciągłym procesie lasera pompowanego optycznie jest głęboko poznany, co dostarcza nowego pomysłu na rozwój niskoprogowych laserów półprzewodnikowych o małych rozmiarach. Wyniki badania zatytułowanego „Lasery perowskitowe pompowane falą ciągłą o powierzchni urządzenia poniżej 1 μm2” opublikowano niedawno w czasopiśmie Advanced Materials.
W tej pracy nieorganiczny monokrystaliczny arkusz mikronowy perowskitu CsPbBr3 przygotowano na podłożu szafirowym metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej. Zaobserwowano, że silne sprzężenie ekscytonów perowskitu z fotonami mikrownęki ściany dźwiękowej w temperaturze pokojowej powoduje powstanie polarytonu ekscytonowego. Poprzez szereg dowodów, takich jak liniowa do nieliniowej intensywność emisji, wąska szerokość linii, transformacja polaryzacji emisji i transformacja spójności przestrzennej na poziomie progowym, potwierdzono ciągłą, optycznie pompowaną fluorescencyjną lasę monokryształu CsPbBr3 o wielkości submikronowej, a obszar urządzenia wynosi zaledwie 0,65 μm2. Jednocześnie stwierdzono, że próg submikronowego źródła lasera jest porównywalny z progiem źródła lasera wielkogabarytowego, a nawet może być niższy (rys. 1).
Rysunek 1. Ciągły, optycznie pompowany submikronowy CsPbBr3laserowe źródło światła
Ponadto w ramach tej pracy zbadano eksperymentalnie i teoretycznie oraz ujawniono mechanizm ekscytonów spolaryzowanych ekscytonami w realizacji submikronowych ciągłych źródeł laserowych. Ulepszone sprzężenie foton-ekscyton w submikronowych perowskitach skutkuje znacznym wzrostem grupowego współczynnika załamania światła do około 80, co znacznie zwiększa wzmocnienie modowe w celu kompensacji utraty modu. W rezultacie otrzymujemy submikronowe źródło lasera perowskitowego o wyższym efektywnym współczynniku jakości mikrownęki i węższej szerokości linii emisyjnej (rysunek 2). Mechanizm zapewnia także nowe spojrzenie na rozwój małych, niskoprogowych laserów opartych na innych materiałach półprzewodnikowych.
Rysunek 2. Mechanizm submikronowego źródła lasera wykorzystującego polaryzony ekscytonowe
Pierwszym autorem artykułu jest Song Jiepeng, studentka Zhibo w roku 2020 w Szkole Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu w Pekinie, a Uniwersytet w Pekinie jest pierwszą jednostką artykułu. Autorami korespondującymi są Zhang Qing i Xiong Qihua, profesor fizyki na Uniwersytecie Tsinghua. Prace wsparły Chińska Narodowa Fundacja Nauk Przyrodniczych i Pekińska Fundacja Naukowa dla Wybitnych Młodych Ludzi.
Czas publikacji: 12 września 2023 r