Hoogwaardige micro-/nanostructuurlasers, als multifunctionele optische broncomponenten, zijn van groot belang voor opto-elektronische apparaten. Op weg naar dit doel, wetenschappers in China hebben een uiterst efficiënte ultrastabiele goedkope kwantumdot-microlaser uitgevonden, die zelfs bij 450 K kan worden gebruikt, de hoogste operationele temperatuur voor quantum dot lasers. De innovatieve techniek bevordert substantieel de ontwikkeling van de basale prestatiestudie tot de senior praktische compatibiliteit voor hoge temperatuur goedkope microlasers en voorspelbare commercialisering.

Laagdimensionale colloïdale kwantumdots (CQD) hebben veel aandacht getrokken vanwege hun unieke structuren, buitengewone optische eigenschappen, en goedkope bereidingsprocessen. Sinds hun eerste synthese in de jaren negentig, motivatie om hoogwaardige, goedkope CQD-micro-/nanolasers te realiseren zijn al meer dan drie decennia een drijvende kracht. Echter, de lage pakkingsdichtheid, inefficiënte koppeling van CQD met optische holtes, en de slechte thermische stabiliteit van geminiaturiseerde complexe systemen maken het een uitdaging om praktische CQD-micro-/nanolasers te realiseren, vooral om het continue werkvermogen bij hoge temperaturen en het lage kostenpotentieel te combineren met massaproductie synthesetechnologieën. Vandaar, het efficiënt oplossen van de bovengenoemde kernproblemen vereist nieuwe ideeën die verschillen van traditioneel CQD-laseronderzoek.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, geleid door professor Hongxing Dong en professor Long Zhang van Key Laboratory of Materials for High-Power Laser, Shanghai Instituut voor Optica en Fijne Mechanica, Chinese Wetenschapsacademie, China, en medewerkers hebben een nieuwe assemblagetechniek ontwikkeld in combinatie met de sol-gel-methode om CQD-geassembleerde microsferen (CQDAM's) te fabriceren die gestold zijn in een silicamatrix, wat niet alleen garandeert dat de CQDAM's stabiel werken bij hoge temperaturen, maar ook de problemen van versterkingspakkingsdichtheid en koppelingsefficiëntie oplost.

Onderzoekers bereikten voor het eerst single-mode laseren op basis van gestolde CQDAM's met operatieve temperaturen tot 450 K. Tot nu toe, dit is de hoogste bedrijfstemperatuur voor CQD-microlasers. Zelfs als ze continu werken in een omgeving met zo'n hoge temperatuur, de stabiele output van laserpulsen kan gedurende 40 minuten worden gehandhaafd. Door de samenstelling en/of grootte van CQD te wijzigen, single-mode laseren kan worden uitgebreid tot het gehele zichtbare spectrale bereik. Bovendien, de oplossing-verwerkbare methode heeft de voordelen van lage kosten en potentieel voor massaproductie. Het vereist geen complexe optische holteverwerking, wat betekent dat er geen dure apparatuur of extreem complexe bewerkingen nodig zijn. In de tussentijd, deze CQDAM-lasers kunnen sterk worden geïntegreerd in een microsubstraat, en ook van toepassing op andere soorten halfgeleider nanodeeltjes, die een voorspelbare commerciële toepassingswaarde bevorderen in goedkope micro-geïntegreerde opto-elektronische apparaten op hoge temperatuur.

Op het onderzoeksgebied van micro-/nanolasers-apparaten, high-performance goedkope CQD-laser is een belangrijk hot topic. Helaas, de ontwikkeling is duidelijk hysterisch gezien het naast elkaar bestaan ​​van de uitdagingen op meerdere niveaus, dat is, (1) de basale vereiste van uitstekende laserprestaties; (2) het promotionele vermogen om aan de toepassingsvoorwaarden te voldoen, zoals continu werken met hoge stabiliteit, toepasbaarheid in omgevingen met hoge temperaturen; (3) de combinatie van voordelige productievoordeel en de verdiensten in eerdere punten (1), (2). Deze wetenschappers vatten de oorspronkelijke ontwerpideeën van hun microlasers samen:

"Vanuit het oogpunt van winstmedium, de zelf-geassembleerde CQD's bereiken bijna de hoge limiet van de pakkingsdichtheid, zorgen voor voldoende optische versterking. Vanuit het oogpunt van licht-materie koppeling, dergelijke CQDAM-monsters worden zowel als versterkingsmaterialen als als optische microholtes gebruikt, de efficiëntie van de koppeling van licht en materie volledig verbeteren. Vanuit het oogpunt van optische holteprestaties, de bolvormige WGM-microholte kan het opsluitingsvermogen van holtefotonen effectief verbeteren. Voor een CQDAM-monster met een volume van ongeveer 1 m ^-3 , er kan slechts één enkele resonantiemodus worden bewerkstelligd in het emissiegolflengtebereik. Echter, de Q-factor van de operatieve modus kan 10 . zijn ⁴ . Het belangrijkste is, we combineren deze drie voordelen van verschillende aspecten samen in de CQDAM-steekproef."

"Naast de bovenstaande laserparameters, de laserstabiliteit bij hoge temperatuur is ook een belangrijk aspect dat verband houdt met het commercialiseringspotentieel. Het warmtedissipatieprobleem is een intrinsieke en onvermijdelijke moeilijkheid voor de volgende generatie microchip-geïntegreerde laserapparaten. In dit werk, de operatieve temperatuur van CQD-microlaser is aangetoond tot 450 K. Bovendien, de CQDs-microlaser kan met hoge dichtheid worden geïntegreerd met een uitstekend werkvermogen, zelfs bij zo'n hoge temperatuur. In aanvulling, onze unieke maar generieke fabricagemethode voor CQD-microlasers is zeer aantrekkelijk en veelbelovend vanuit commercieel oogpunt, waar het de productiekosten aanzienlijk kan verlagen en het productieproces kan vereenvoudigen, waardoor hun grootschalige industriële productie ten goede komt. Met andere woorden, deze zeer efficiënte oplossingsbereidingsprocessen vereisen geen complexe verwerkingstechnieken en dure verwerkingsapparatuur, de kosten zijn vooral de laaggeprijsde materialen. Deze kosteneffectieve produceerbaarheid en het flexibele integratievermogen effenen een nieuwe route en beloven een groot potentieel in de vooruitgang van CQD-microlasers van laboratorium naar industrialisatie, " voegden ze eraan toe.

"In aanvulling, sinds de eerste demonstratie van gestimuleerde emissie van CQD, het nastreven van elektrisch gepompte CQD-lasing is het onderwerp geworden van intensief onderzoek. interessant, onze CQDAM's kunnen dienen als zowel een versterkingsmedium als een optische holte, die gemakkelijk kan worden opgenomen in de elektroluminescente architectuur als een emitterende laag om elektrisch gepompte nanolasers mogelijk te maken. In feite, de realisatie van een elektro-geïnduceerde microlaser is een grote uitdaging, en complexere problemen moeten worden opgelost, wat ook een belangrijk onderdeel is van ons toekomstig onderzoek, ' voorspellen de wetenschappers.