Пекинский университет реализовал перовскитный непрерывныйлазерный источникменьше 1 квадратного микрона
Важно создать непрерывный лазерный источник с площадью устройства менее 1 мкм², чтобы удовлетворить требованиям к низкому энергопотреблению внутрикристальных оптических соединений (<10 фДж бит-1). Однако с уменьшением размера устройства значительно возрастают оптические и материальные потери, поэтому достижение субмикронных размеров устройства и непрерывной оптической накачки лазерных источников является чрезвычайно сложной задачей. В последние годы галогенидные перовскитные материалы привлекли большое внимание в области лазеров с непрерывной оптической накачкой благодаря своему высокому оптическому усилению и уникальным свойствам экситон-поляритонов. Площадь устройства перовскитных непрерывных лазерных источников, о которых сообщалось до сих пор, по-прежнему превышает 10 мкм², и все субмикронные лазерные источники требуют импульсного света с более высокой плотностью энергии накачки для возбуждения.
В ответ на эту задачу исследовательская группа Чжан Цина из Школы материаловедения и инженерии Пекинского университета успешно подготовила высококачественные субмикронные монокристаллические материалы на основе перовскита для создания лазерных источников непрерывной оптической накачки с площадью устройства всего 0,65 мкм². При этом был обнаружен фотон. Механизм экситонного поляритона в субмикронном процессе лазерной генерации с непрерывной оптической накачкой глубоко изучен, что открывает новые возможности для разработки малогабаритных низкопороговых полупроводниковых лазеров. Результаты исследования под названием «Лазеры на основе перовскита с непрерывной накачкой и площадью устройства менее 1 мкм²» недавно были опубликованы в журнале Advanced Materials.
В этой работе микронный лист монокристалла неорганического перовскита CsPbBr3 был приготовлен на сапфировой подложке методом химического осаждения из газовой фазы. Было обнаружено, что сильная связь экситонов перовскита с фотонами микрорезонатора звуковой стенки при комнатной температуре приводит к образованию экситонного поляритона. Благодаря ряду доказательств, таких как линейная в нелинейную интенсивность излучения, узкая ширина линии, преобразование поляризации излучения и преобразование пространственной когерентности на пороге, подтверждено непрерывное оптически накачиваемое флуоресцентное излучение монокристалла CsPbBr3 субмикронного размера, а площадь устройства составляет всего 0,65 мкм2. В то же время было обнаружено, что порог субмикронного лазерного источника сравним с порогом крупногабаритного лазерного источника и может быть даже ниже (рисунок 1).
Рисунок 1. Непрерывно оптически накачиваемый субмикронный CsPbBr3лазерный источник света
В данной работе экспериментально и теоретически исследован и раскрыт механизм образования экситонно-поляризованных экситонов при реализации субмикронных непрерывных лазерных источников. Усиление фотон-экситонной связи в субмикронных перовскитах приводит к значительному увеличению группового показателя преломления до примерно 80, что существенно увеличивает коэффициент усиления моды, компенсируя потери моды. Это также приводит к созданию субмикронного лазерного источника на основе перовскита с более высокой эффективной добротностью микрорезонатора и более узкой шириной линии излучения (рис. 2). Этот механизм также открывает новые перспективы для разработки малогабаритных низкопороговых лазеров на основе других полупроводниковых материалов.
Рисунок 2. Механизм работы субмикронного лазерного источника, использующего экситонные поляризоны.
Сун Цзепэн, студент факультета материаловедения и инженерии Пекинского университета (выпуск 2020 года), является первым автором статьи, а Пекинский университет – её первым подразделом. Чжан Цин и Сюн Цихуа, профессор физики Университета Цинхуа, являются соавторами. Работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая и Пекинским научным фондом для выдающейся молодёжи.
Время публикации: 12 сентября 2023 г.