物理学家在纳米激光设计上迈出了重要的一步

物理学家在纳米激光设计上迈出了重要的一步

纳米激光器最近已成为一类新的光源,其尺寸仅为百万分之几米,其独特性能与宏观激光器有着显著的不同。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变得相干,而在实际应用中,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小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美国研究人员开发了一种方法,可以在何种情况下发现纳米激光器可以称为真正的激光器。这项研究发表在《光学快报》上。

激光器广泛应用于家用电器、医药、工业、电信等领域。几年前,一种叫做纳米激光器的新型激光器诞生了。他们的设计类似于传统的基于异质结构的半导体激光器,这种激光器已有几十年的历史。不同之处在于纳米激光器的空腔非常小,与这些光源发出的光的波长成正比。由于它们主要产生可见光和红外光,因此其大小约为百万分之一米。

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,它们是基于光子波导的新一代高速互连所必需的,这将有助于提高集成光学电路的性能。OST CPU和GPU的性能提高了几个数量级。以类似的方式,光纤互联网的出现提高了连接速度,同时也提高了能源效率。

这是迄今为止纳米激光器的唯一可能应用。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大,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制包括人类在内的活生物体中的神经元活动。

对于一个符合激光条件的辐射源,它需要满足许多要求,主要是它必须发出相干辐射。与相干密切相关的激光的一个独特特性是存在所谓的激光阈值。当泵浦电流低于该阈值时,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,常规宏观激光器的发射光谱缩小,其输出功率峰值。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(图1a)。

物理学家在纳米激光设计上迈出了重要的一步
图1。在给定温度下,常规宏观激光器(A)和典型纳米级激光器(B)的输出功率对泵电流的依赖性。由研究人员提供的图片

许多纳米激光器的行为方式与传统的宏观激光器相同,也就是说,它们显示出阈值电流。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(图1b中的红线)。这种纳米激光器被称为“无阈值激光器”。这就引出了一个问题:它们的辐射在什么电流下变得相干,或者像激光一样? 

回答这一问题的明显方法是测量相干性。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。

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