一个国际研究团队宣布开发出世界上最紧凑的半导体激光器，可在室温下在可见光范围内工作。根据研究作者的说法，激光是一种尺寸仅为 310 纳米(比一毫米小 3,000 倍)的纳米粒子，可以在室温下产生绿色相干光。该研究文章发表在ACS Nano 上。

60 年前，也就是 5 月中旬，美国物理学家西奥多·迈曼 (Theodor Maiman) 演示了第一台光量子发生器——激光器的运行。现在，一个国际科学家团队(其中大部分来自 ITMO 大学)报告说，他们已经通过实验证明了世界上最紧凑的半导体激光器，可在室温下在可见光范围内工作。这意味着，相干绿色光，它产生可容易地注册，即使只使用一个标准的光学显微镜肉眼看到。

科学家们成功地利用了可见光带的绿色部分，这被认为是纳米激光器的问题。“在现代发光半导体领域，存在‘绿色间隙’问题，”该文章的首席研究员兼 ITMO 大学物理与工程学院教授 Sergey Makarov 说。“绿色间隙意味着用于发光二极管的传统半导体材料的量子效率在光谱的绿色部分急剧下降。这个问题使由传统半导体材料制成的室温纳米激光器的开发复杂化。”

该团队选择卤化物钙钛矿作为纳米激光器的材料。传统激光器由两个关键元件组成——允许产生相干受激发射的活性介质和有助于限制电磁能的光学谐振器长时间在内部。钙钛矿可以提供这两种特性：某种形状的纳米颗粒既可以作为活性介质，也可以作为有效的谐振器。

结果，科学家们成功制造了一个大小为 310 纳米的立方形粒子，当被飞秒激光脉冲光激发时，它可以在室温下产生激光辐射。

“我们使用飞秒激光脉冲来泵浦纳米激光器，”ITMO 大学的初级研究员、该文章的合著者之一 Ekaterina Tiguntseva 说。“我们照射孤立的纳米粒子，直到达到特定泵浦强度的激光生成阈值。之后，纳米粒子开始作为典型的激光器工作。我们证明了这种纳米激光器可以在至少一百万个激发周期内运行。”

所开发的纳米激光器的独特之处不仅在于它的小尺寸。纳米粒子的新颖设计允许有效限制受激发射能量，以提供足够高的电磁场放大以产生激光。

“这个想法是，激光生成是一个门槛过程，”ITMO 大学的初级研究员、该文章的合著者之一基里尔·科舍列夫 (Kirill Koshelev) 解释说。“你用激光脉冲激发纳米粒子，在外部源的特定‘阈值’强度下，粒子开始产生激光发射。如果你不能很好地将光限制在内部，就不会有激光发射。在之前使用其他材料和系统的实验中，但类似的想法，表明您可以使用四阶或五阶 Mie 共振，这意味着共振光波长材料内部在激光产生频率下适合谐振器体积的四到五倍。我们已经证明我们的粒子支持三阶米氏共振，这是以前从未做过的。换句话说，我们可以在谐振器尺寸等于材料内部三个波长的光的条件下产生相干受激发射。”

值得注意的是，纳米粒子无需施加外部压力或极低的温度即可作为激光器工作。研究中描述的所有效果都是在常规大气压和室温下产生的。这使得该技术对专注于创建光学芯片、传感器和其他使用光来传输和处理信息的设备(包括用于光学计算机的芯片)的专家具有吸引力。

在可见光范围内工作的激光器的好处是，在所有其他特性相同的情况下，它们比具有相同特性的红色和红外光源小。事实是，小型激光器的体积通常与发射波长呈三次方相关，而由于绿光的波长比红外光的波长小三倍，因此绿色激光器的小型化极限要大得多。这对于为未来的光学计算机系统生产超小型组件至关重要。

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