哈佛大学研发出在窄纳线尺度上的世界上最小的     DATE: 2020-06-10 05:51

哈佛大学研发出在窄纳线尺度上的世界上最小的激光器

2009-03-10 10:41 瑾年Invader 关注

       作者:Valerie C. Coffey

       哈佛大学工程学教授Federico Capasso等研究人员表示,他们在直径仅为几百纳米的纳米线中,首次产生了激光输出。纳米线材料和制备技术的全球性进展,使科学家能够通过研究从放大自发辐射(ASE)到阈值以上的激光振荡的转变过程,观察纳米线中的激光输出。[1]

       在此之前,研究人员一直难以获得ASE的超线性区域特性与激光振荡的线性区域特性之间的激光阈值。而且,先前的观测也没有测量源于纳米线末端的高度定向光——这是激光的一个重要特性。通过与德国哥廷根大学和耶拿大学的研究人员合作,哈佛大学的研究人员于室温下在单根氧化锌(ZnO)纳米线中发现了紫外频段的光泵浦激光,并对其进行了相关测量。

       采用简单的气相传输技术,研究人员合成了不同尺寸的单晶ZnO纳米线,这些纳米线的长度从3μm到23μm,直径大约从100nm到 375nm。然后他们将掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)产生的波长为355nm的三倍频激光(重复频率500Hz、脉宽6ns),聚焦为直径100μm的光束,导入单根纳米线中。他们将反射显微物镜与光谱仪耦合,并利用电荷耦合器件(CCD)捕获纳米线端面的发射光。

 

       产生激光输出

       当泵浦强度逐渐升高到大约200kW/cm2时,发射光的性质符合自发辐射的特征,发射光谱为钟形,其中心波长大约为382nm,半高全宽达到 19.3nm。这时光沿着纳米线各向同性地发射,和预期的自发辐射一样,输出强度与激发强度成线性关系。当泵浦强度在200~300kW/cm2之间时,宽的发射光谱上开始出现尖锐的谱线,这表明实现了粒子数反转,并且在沿纳米线的方向上开始产生ASE纵模。在该范围内,输出功率和泵浦强度成超线性关系,这表明正在接近激光阈值。当泵浦强度大于 300kW/cm2时,发射光谱收窄到385~390nm之间,该尖锐谱线的发光强度比自发背景辐射的强度大几个数量级,这表明纳米线中确实产生了激光振荡。此时,输出功率重新与激发强度成线性关系(见图),这符合激光在阈值以上的特性。

       Capasso说:“我们获得了强度明显超过背景辐射的光功率输出。这一点再加上大于阈值时输出功率的线性增加,都是产生激光的确凿证据,这是以前在纳米线中从未获得过的。”

       此外,将纳米线与硅衬底的边缘剥离,就可以使用硅探测器从正面直接记录纳米线端面的发射激光——收集效率为10%时,激光功率高达60μW。另外,研究人员还发现了一个产生激光的关键阈值条件:要产生激光,纳米线的直径必须大于150nm,而纳米线的长度对产生激光没有影响。


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