Пекінський університет реалізував перовскітне лазерне джерело безперервної дії розміром менше 1 квадратного мікрона

Пекінський університет реалізував перовскітний безперервний процеслазерне джереломенше ніж 1 квадратний мікрон
Важливо створити джерело безперервного лазерного випромінювання з площею пристрою менше 1 мкм2, щоб задовольнити вимоги низького енергоспоживання оптичного з'єднання на кристалі (<10 фДж біт-1). Однак, зі зменшенням розміру пристрою, оптичні та матеріальні втрати значно зростають, тому досягнення субмікронного розміру пристрою та безперервного оптичного накачування лазерних джерел є надзвичайно складним завданням. В останні роки галогенідні перовскітні матеріали отримали значну увагу в галузі лазерів з безперервним оптичним накачуванням завдяки їх високому оптичному підсиленню та унікальним властивостям екситон-поляритонів. Площа пристрою перовскітних лазерних джерел безперервного випромінювання, про яку повідомлялося досі, все ще перевищує 10 мкм2, а всі субмікронні лазерні джерела потребують імпульсного світла з вищою щільністю енергії накачування для стимуляції.

У відповідь на цей виклик дослідницька група Чжана Ціна зі Школи матеріалознавства та інженерії Пекінського університету успішно підготувала високоякісні перовскітні субмікронні монокристалічні матеріали для отримання лазерних джерел безперервного оптичного накачування з площею пристрою всього 0,65 мкм2. Водночас було виявлено фотон. Механізм екситонних поляритонів у процесі субмікронного безперервного оптичного накачування глибоко вивчений, що дає нову ідею для розробки низькопорогових напівпровідникових лазерів малого розміру. Результати дослідження під назвою «Перовскітні лазери з безперервним накачуванням та площею пристрою менше 1 мкм2» нещодавно були опубліковані в Advanced Materials.

У цій роботі мікронний лист монокристалічного перовскіту CsPbBr3 був отриманий на сапфіровій підкладці методом хімічного осадження з парової фази. Було помічено, що сильне зв'язування екситонів перовскіту з фотонами мікрорезонатора звукової стінки за кімнатної температури призводить до утворення екситонних поляритонів. Завдяки серії доказів, таких як інтенсивність випромінювання від лінійної до нелінійної, вузька ширина лінії, перетворення поляризації випромінювання та перетворення просторової когерентності на порозі, підтверджено безперервне оптично накачування флуоресцентної лазерної генерації монокристалів CsPbBr3 субмікронного розміру, а площа пристрою становить лише 0,65 мкм2. Водночас було виявлено, що поріг субмікронного лазерного джерела порівнянний з порогом лазерного джерела великого розміру і може бути навіть нижчим (Рисунок 1).

Рисунок 1. Субмікронне випромінювання CsPbBr3 з безперервним оптичним накачуваннямджерело лазерного світла

Крім того, ця робота досліджує як експериментально, так і теоретично, і розкриває механізм екситонно-поляризованих екситонів у реалізації субмікронних лазерних джерел безперервної дії. Посилений фотон-екситонний зв'язок у субмікронних перовскітах призводить до значного збільшення групового показника заломлення приблизно до 80, що суттєво збільшує коефіцієнт посилення моди для компенсації втрат моди. Це також призводить до створення перовскітного субмікронного лазерного джерела з вищим ефективним коефіцієнтом якості мікрорезонатора та вужчою шириною лінії випромінювання (Рисунок 2). Механізм також дає нове розуміння розробки малорозмірних лазерів з низьким порогом на основі інших напівпровідникових матеріалів.

Рисунок 2. Механізм субмікронного лазерного джерела з використанням екситонних поляризонов

Сун Цзепен, студентка Чжібо 2020 року зі Школи матеріалознавства та інженерії Пекінського університету, є першим автором статті, а Пекінський університет – першим підрозділом статті. Чжан Цін та Сюн Ціхуа, професор фізики Університету Цінхуа, є авторами-відповідачами. Роботу було підтримано Національним фондом природничих наук Китаю та Пекінським науковим фондом для видатних молодих людей.