激光廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)藥、工業(yè)、電信等領(lǐng)域。幾年前，科學(xué)家們引入了納米拉塞爾。它們的設(shè)計(jì)類似于幾十年來普遍使用的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器。不同之處在于，納米拉色劑的空腔非常小，這是根發(fā)出的光的波長(zhǎng)來決定。由于它們主要產(chǎn)生可見光和紅外光，所以它們的大小大約是一米的百萬分之一。納米材料具有與宏觀激光明顯不同的獨(dú)特性質(zhì)。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變得相干，此外在實(shí)際應(yīng)用中，重要的是要區(qū)分納米激光器的兩種狀態(tài)：具有高電流相干輸出的真實(shí)激光作用和具有低電流非相干輸出的led樣狀態(tài)。來自莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員開發(fā)了一種方法來確定在什么情況下納米激光器才算真正的激光器。
博科園-科學(xué)科普：這項(xiàng)研究發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上。在不久的將來，納米硅將被整合到集成光學(xué)電路中，這是基于光子波導(dǎo)的新一代高速互連所必需，這將使cpu和gpu的性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同樣，光纖互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)提高了連接速度，同時(shí)也提高了能源效率。到目前為止，這并不是納米拉瑟唯一可能的應(yīng)用。研究人員已經(jīng)在開發(fā)化學(xué)和生物傳感器，只有百萬分之一米大，而機(jī)械應(yīng)力傳感器只有十億分之一米小。納米聚糖還有望用于控制包括人類在內(nèi)的生物神經(jīng)元活動(dòng)。要使輻射源成為合格的激光器，它需要滿足許多要求，其中最主要的是它必須發(fā)射相干輻射。與相干性密切相關(guān)的一個(gè)顯著特性是存在所謂的激光閾值。當(dāng)泵浦電流低于這個(gè)閾值時(shí)，輸出輻射主要是自發(fā)的，其特性與傳統(tǒng)發(fā)光二極管(LEDs)的輸出沒有什么不同。
Nanolaser測(cè)試，圖片：tsarcyanide/MIPT但是一旦達(dá)到閾值電流，輻射就會(huì)變得相干。在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)的宏觀激光發(fā)射光譜縮小，其輸出功率峰值。后一個(gè)特性提供了一種確定激光閾值的簡(jiǎn)單方法——即通過研究輸出功率隨泵電流的變化情況(圖1A)。許多納米分子篩的行為與傳統(tǒng)的宏觀分子篩相同，表現(xiàn)出閾值電流。然而，對(duì)于某些器件，由于它沒有特殊的特性，只是log-log刻度上的一條直線(圖1B中的紅線)，因此不能通過分析輸出功率與泵電流曲線來確定激光閾值。這種納米聚糖被稱為“無閾值”。這就提出了一個(gè)問題：在什么電流下它們的輻射會(huì)變得相干，或者像激光一樣？回答這個(gè)問題最明顯的方法是測(cè)量相干性。然而，與發(fā)射光譜和輸出功率不同，相干性在納米激光器中很難測(cè)量因?yàn)檫@需要能夠記錄強(qiáng)度波動(dòng)在萬億分之一秒(納米激光器內(nèi)部過程發(fā)生的時(shí)間尺度)的設(shè)備。
在給定溫度下，傳統(tǒng)宏觀激光器(a)和典型納米激光器(B)的輸出功率與泵浦電流的關(guān)系。圖片：A.A. Vyshnevyy and D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473莫斯科物理技術(shù)研究所的Andrey Vyshnevyy和Dmitry Fedyanin找到了一種繞過具有技術(shù)挑戰(zhàn)性的直接相干測(cè)量的方法。他們開發(fā)了一種方法，使用主要的激光參數(shù)來量化納米激光輻射的相干性。研究人員聲稱他們的技術(shù)可以確定任何納米激光器的閾值電流(圖1B)。他們發(fā)現(xiàn)，即使是“無閾值”的納米激光器，實(shí)際上也有一個(gè)獨(dú)特的閾值電流將LED和激光分開。發(fā)射的輻射在閾值電流以下是不相干的，在閾值電流以上是相干的。令人驚訝的是，納米激光器的閾值電流與輸出特性或發(fā)射光譜的變窄沒有任何關(guān)系，而這些都是宏觀激光中激光閾值的特征。圖1B清楚地顯示，即使在輸出特性中看到一個(gè)明顯的扭結(jié)，在更高的電流下也會(huì)發(fā)生向激光狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這是激光科學(xué)家們無法從納米激光中期待的。
納米激光器閾值電流與器件溫度的關(guān)系，藍(lán)色和綠色曲線很好地近似了紅線所示的準(zhǔn)確值。圖片：Andrey A. Vyshnevyy and Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473計(jì)算表明，在大多數(shù)關(guān)于納米激光器的論文中，激光系統(tǒng)并沒有實(shí)現(xiàn)。盡管研究人員在輸出特性上測(cè)量了扭結(jié)以上的激光，但納米激光器發(fā)射是不連貫的，因?yàn)閷?shí)際的激光閾值是扭結(jié)值以上的數(shù)量級(jí)。通常，由于納米激光器的自熱，根本不可能實(shí)現(xiàn)一致的輸出。因此將虛激光閾值與實(shí)際激光閾值區(qū)分開來是非常重要的。盡管相干性測(cè)量和計(jì)算都很困難，維什涅夫斯基和費(fèi)迪亞寧提出了一個(gè)可以應(yīng)用于任何納米激光器的簡(jiǎn)單公式。利用這個(gè)公式和輸出特性，nanolaser工程師現(xiàn)在可以快速測(cè)量他們創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的閾值電流(見圖2)。Vyshnevyy和Fedyanin報(bào)告的研究結(jié)果使我們能夠提前預(yù)測(cè)納米激光器的輻射（無論它的設(shè)計(jì)是什么）變得一致的那一點(diǎn)。這將使工程師能夠確定性地開發(fā)具有預(yù)定特性和保證相干性的納米激光器。
博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院參考期刊文獻(xiàn):《Optics Express》DOI: 10.1364/OE.26.033473博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美
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