CQD disperso autoassemblante in cluster CQD ravvicinato per ottenere un'elevata densità di imballaggio, quindi alla microsfera di assemblaggio CQD per ottenere un'elevata efficienza di accoppiamento, infine alla microsfera solidificata per ottenere un laser ad alta T stabile e integrato. La microsfera di assemblaggio CQD può fungere sia da mezzo di guadagno che da microcavità. Le luci viaggiano all'interno della microcavità WGM a causa della riflessione interna totale al confine del risonatore per ottenere un'elevata efficienza di accoppiamento. I CQDAM sono solidificati in matrice di silice tramite metodo sol-gel per garantire un funzionamento stabile ad alta temperatura. Credito:Hongxing Dong, Wei Xie, Zhang lungo
Laser a micro/nanostruttura ad alte prestazioni, come componenti di sorgenti ottiche multifunzionali, sono di grande importanza per i dispositivi optoelettronici. Verso questo obiettivo, scienziati in Cina hanno inventato un microlaser a punti quantici ultrastabile ad alta efficienza e basso costo, che può funzionare anche a 450 K, la più alta temperatura operativa per i laser a punti quantici. La tecnica innovativa promuove sostanzialmente il suo sviluppo dallo studio delle prestazioni basali alla compatibilità pratica senior per microlaser a basso costo ad alta temperatura e commercializzazione prevedibile.
I punti quantici colloidali a bassa dimensione (CQD) hanno attirato un'attenzione significativa a causa delle loro strutture uniche, proprietà ottiche straordinarie, e processi di preparazione a basso costo. Fin dalla loro prima sintesi negli anni '90, La motivazione per realizzare micro-/nanolaser CQD a basso costo ad alte prestazioni è stata una forza trainante per più di tre decenni. Però, la bassa densità di imballaggio, accoppiamento inefficiente di CQD con cavità ottiche, e la scarsa stabilità termica dei sistemi complessi miniaturizzati rendono difficile realizzare micro-/nanolaser CQD pratici, soprattutto per combinare la capacità di lavorare in continuo ad alte temperature e il potenziale a basso costo con tecnologie di sintesi prodotte in serie. Quindi, risolvere i problemi chiave di cui sopra in modo efficiente richiede nuove idee diverse dalla tradizionale ricerca laser CQD.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Hongxing Dong e dal professor Long Zhang del Key Laboratory of Materials for High-Power Laser, Istituto di Ottica e Meccanica Fine di Shanghai, Accademia cinese delle scienze, Cina, e collaboratori hanno sviluppato una nuova tecnica di assemblaggio combinata con il metodo sol-gel per fabbricare microsfere assemblate con CQD (CQDAM) solidificate in una matrice di silice, che non solo garantisce che i CQDAM funzionino stabilmente ad alte temperature, ma risolve anche i problemi di densità di impacchettamento del guadagno e di efficienza di accoppiamento.
I ricercatori hanno prima ottenuto il laser monomodale basato su CQDAM solidificati con temperature operative fino a 450 K. Finora, questa è la temperatura operativa più alta per i microlaser CQD. Anche se lavorano continuamente in un ambiente così caldo, l'uscita stabile degli impulsi laser può essere mantenuta per 40 min. Modificando la composizione e/o la dimensione della CQD, il laser monomodale può essere esteso all'intera gamma spettrale del visibile. Inoltre, il metodo processabile in soluzione presenta i vantaggi del basso costo e del potenziale per la produzione di massa. Non richiede complesse lavorazioni di cavità ottiche, il che significa che non sono necessarie attrezzature costose o lavorazioni estremamente complesse. Nel frattempo, questi laser CQDAM possono essere altamente integrati in un micro-substrato, e applicabile anche ad altri tipi di nanoparticelle di semiconduttori, che promuovono un valore di applicazione commerciale prevedibile in dispositivi optoelettronici microintegrati a basso costo ad alta temperatura.
un, Schema schematico dei microlaser CQD integrati prodotti in serie che lavorano ad alta temperatura. B, Immagine a colori reali dei diversi campioni di matrice di silice a base di CQD eccitati dalla luce ultravioletta. C, Immagine microscopica ingrandita interna corrispondente in condizioni di eccitazione elevata. I punti rossi sono i CQDAM laser a 400 K. d, Laser monomodali multicolori provenienti da CQDAM di diverse composizioni e/o dimensioni, le cui energie laser coprono l'intera gamma del visibile. Credito:Hongxing Dong, Wei Xie, Zhang lungo
Nel campo della ricerca dei dispositivi micro/nanolaser, il laser CQD ad alte prestazioni a basso costo è un importante tema caldo. Sfortunatamente, lo sviluppo è ovviamente isteretico considerando la coesistenza delle sfide multilivello, questo è, (1) il requisito fondamentale di eccellenti prestazioni laser; (2) la capacità promozionale di soddisfare le condizioni applicative come il lavoro continuo con elevata stabilità, applicabilità in ambienti ad alta temperatura; (3) la combinazione del vantaggio di produzione a basso costo e dei pregi di cui ai punti precedenti (1), (2). Questi scienziati riassumono le idee progettuali originali dei loro microlaser:
"Dal punto di vista del guadagno medio, i CQD autoassemblati raggiungono quasi il limite elevato della densità di imballaggio, garantendo un guadagno ottico sufficiente. Dal punto di vista dell'accoppiamento luce-materia, tali campioni CQDAM sono utilizzati sia come materiali di guadagno che come microcavità ottiche, migliorando completamente l'efficienza dell'accoppiamento luce-materia. Dal punto di vista delle prestazioni della cavità ottica, la microcavità sferica WGM può migliorare efficacemente la capacità di confinamento dei fotoni della cavità. Per un campione CQDAM di volume di circa 1 μm -3 , ci potrebbe essere un solo modo risonante effettuato nell'intervallo di lunghezze d'onda di emissione. Però, il fattore Q della modalità operativa potrebbe essere 10 4 . Più importante, combiniamo questi tre vantaggi di diversi aspetti insieme nel campione CQDAM."
"Oltre ai parametri laser di cui sopra, la stabilità del laser ad alta temperatura è anche un aspetto importante legato al potenziale di commercializzazione. Il problema della dissipazione del calore è una difficoltà intrinseca e inevitabile per la prossima generazione di dispositivi laser integrati con microchip. In questo lavoro, la temperatura operativa del microlaser CQD è dimostrata a 450 K. Inoltre, il microlaser CQDs può essere integrato ad alta densità con ottime capacità di lavorazione anche a temperature così elevate. Inoltre, il nostro metodo di fabbricazione di microlaser CQD unico ma generico è molto attraente e promettente da un punto di vista commerciale in cui può ridurre notevolmente i costi di produzione e semplificare il processo di produzione, beneficiando così la loro produzione industriale su larga scala. In altre parole, questi processi di preparazione della soluzione altamente efficienti non richiedono tecniche di elaborazione complesse e costose apparecchiature di elaborazione, i costi sono principalmente i materiali a basso prezzo. Questa producibilità economica e la capacità di integrazione flessibile aprono una nuova strada e promettono un grande potenziale nel progresso dei microlaser CQD dal laboratorio all'industrializzazione, " hanno aggiunto.
"Inoltre, sin dalla prima dimostrazione di emissione stimolata da CQD, la ricerca del laser CQD pompato elettricamente è diventata oggetto di intense ricerche. interessante, i nostri CQDAM possono fungere sia da mezzo di guadagno che da cavità ottica, che può essere facilmente incorporato nell'architettura elettroluminescente come strato emettitore per consentire nanolaser pompati elettricamente. Infatti, la realizzazione di un micro laser elettroindotto è una grande sfida, e problemi più complessi devono essere risolti, che è anche una parte importante della nostra ricerca futura, "prevedono gli scienziati.
