近日，來(lái)自美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的一支科學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功地用基于溶液鑄造半導(dǎo)體納米晶體（又稱(chēng)“膠體量子點(diǎn)”）的電驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了光放大。《自然》雜志評(píng)價(jià)稱(chēng)，這一演示為一種全新的電泵浦激光設(shè)備打開(kāi)了大門(mén)——高度靈活、溶液可加工的激光二極管，從此可以在任何晶體或非晶體基片上制備，而不需要復(fù)雜的真空生長(zhǎng)技術(shù)或高度控制的潔凈室環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)室研究員、量子點(diǎn)研究計(jì)劃的負(fù)責(zé)人Victor Klimov表示，LANL實(shí)驗(yàn)室在此前幾十年對(duì)納米晶體合成、其光物理性質(zhì)以及量子點(diǎn)器件的光學(xué)和電學(xué)設(shè)計(jì)的研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了通過(guò)電驅(qū)動(dòng)膠體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)光放大的能力。

該實(shí)驗(yàn)室合成的新型“成分梯度”量子點(diǎn)表現(xiàn)出了長(zhǎng)光學(xué)增益壽命、大增益系數(shù)和低激光閾值等多種特性，而這些特性使它們成為了完美的激光材料。

他表示，利用溶液鑄造納米晶體實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)光放大的方法，可能有助于解決在同一硅芯片上集成光子和電子電路的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，并有望推進(jìn)許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用——從照明和顯示到量子信息、醫(yī)療診斷和化學(xué)傳感。

二十多年的研究結(jié)晶

二十多年來(lái)，研究人員一直在尋求通過(guò)電泵浦實(shí)現(xiàn)膠體量子點(diǎn)激光，而這也是其在實(shí)際技術(shù)中廣泛應(yīng)用的先決條件。

傳統(tǒng)的激光二極管在電激發(fā)下產(chǎn)生高度單色的相干光，在現(xiàn)代技術(shù)中無(wú)處不在。但它們也有不足之處：可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)，可搭載波長(zhǎng)范圍的差距，以及與硅技術(shù)的不兼容性，這些都限制了它們?cè)谖㈦娮宇I(lǐng)域的應(yīng)用。這些問(wèn)題促使人們?cè)诟叨褥`活和易于擴(kuò)展的解決方案領(lǐng)域?qū)ふ姨娲贰杉庸げ牧稀?/p>

化學(xué)制備的膠體量子點(diǎn)，對(duì)于打造出可溶液加工的激光二極管而言特別有吸引力。除了與廉價(jià)且易于擴(kuò)展的化學(xué)技術(shù)兼容外，它們還具有可調(diào)諧的發(fā)射波長(zhǎng)、低光學(xué)增益閾值和激光特性的高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

然而，多種挑戰(zhàn)阻礙了該技術(shù)的發(fā)展，包括：1）增益有源多載流子態(tài)的快速俄歇復(fù)合；2）激光所需的高電流密度下納米晶體膜的穩(wěn)定性差；3）在復(fù)雜的電驅(qū)動(dòng)器件中難以獲得凈光學(xué)增益——其中薄的電致發(fā)光納米晶體層與各種光學(xué)損耗的電荷導(dǎo)電層相結(jié)合，這些層傾向于吸收納米晶體發(fā)出的光。

膠體量子點(diǎn)激光方案突破

實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)膠體量子點(diǎn)激光需要解決許多技術(shù)難題。量子點(diǎn)不僅需要發(fā)光，還需要通過(guò)受激發(fā)射使產(chǎn)生的光子倍增。通過(guò)將量子點(diǎn)與光學(xué)諧振器相結(jié)合，使發(fā)射的光通過(guò)增益介質(zhì)循環(huán)，這種效應(yīng)可以轉(zhuǎn)化為激光振蕩或激光。如果解決了，就可以實(shí)現(xiàn)電驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)激光。

在量子點(diǎn)中，受激發(fā)射與非常快的非輻射俄歇復(fù)合對(duì)抗，是這些材料中激光的主要障礙。為了克服這些障礙，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種非常有效的方法，通過(guò)在量子點(diǎn)內(nèi)部引入精心設(shè)計(jì)的成分梯度來(lái)抑制非輻射俄歇衰變。

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光輸出狀態(tài)，需要非常高的電流密度（幾十至幾百安培／每平方厘米）。然而，這種電流通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備因過(guò)熱而故障甚至報(bào)廢。這也一直是阻礙電轉(zhuǎn)激光實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

為了解決過(guò)熱問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)將電流限制在空間和時(shí)間域中，最終減少了產(chǎn)生的熱量，同時(shí)改善了與周?chē)橘|(zhì)的熱交換。為了實(shí)現(xiàn)這些想法，研究人員在器件堆棧中加入了一個(gè)帶有小電流聚焦孔徑的絕緣中間層，并使用短電脈沖（持續(xù)時(shí)間約為1微秒）來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。

結(jié)果顯示，他們開(kāi)發(fā)的器件能夠達(dá)到前所未有的電流密度，高達(dá)約2000安培／平方厘米，足以在多個(gè)量子點(diǎn)光學(xué)躍遷之間產(chǎn)生強(qiáng)大的寬帶光學(xué)增益。

實(shí)驗(yàn)室博士后研究員Clément Livache表示：“更深層的挑戰(zhàn)，則是在包含各種電荷導(dǎo)電層的完整LED器件堆疊中實(shí)現(xiàn)光學(xué)增益和光學(xué)損耗之間的有利平衡，這些層可以表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光吸收。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)黾恿艘欢呀殡婋p層，形成了所謂的分布式布拉格反射器?！?/p>

使用布拉格反射器作為底層襯底，研究人員能夠控制電場(chǎng)在設(shè)備上的空間分布，并對(duì)其進(jìn)行塑造，從而降低光學(xué)損耗電荷導(dǎo)電層中的場(chǎng)強(qiáng)度，并增強(qiáng)量子點(diǎn)增益介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)度。

通過(guò)這些創(chuàng)新，該團(tuán)隊(duì)展示了研究界幾十年來(lái)所追求的效果：用電泵浦膠體量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)明亮的放大自發(fā)發(fā)射（ASE）。在ASE過(guò)程中，自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的“種子光子”在受激量子點(diǎn)的受激輻射驅(qū)動(dòng)下發(fā)射出“光子雪崩”。這提高了發(fā)射光的強(qiáng)度，增加了其方向性并增強(qiáng)了相干性。

ASE型量子點(diǎn)LED作為高定向窄帶光源，在消費(fèi)產(chǎn)品（例如顯示器和投影儀）、計(jì)量、成像和科學(xué)儀器中應(yīng)用，具有相當(dāng)大的實(shí)用性。這些結(jié)構(gòu)在電子和光子學(xué)、傳統(tǒng)和量子領(lǐng)域的潛在應(yīng)用也帶來(lái)了眾多的機(jī)會(huì)，它們可以幫助實(shí)現(xiàn)與各種類(lèi)型的光互連和光子結(jié)構(gòu)集成的光譜可調(diào)諧片上光放大器。

光學(xué)應(yīng)用中的爆款 光束質(zhì)量分析儀

Beamfiler Basic是一款國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的光束質(zhì)量分析儀，它不僅價(jià)格實(shí)惠，而且廣泛應(yīng)用于需要對(duì)激光光斑形狀進(jìn)行檢測(cè)的場(chǎng)合，如激光生產(chǎn)，維護(hù)以及激光應(yīng)用，光學(xué)器件質(zhì)量檢查，激光腔鏡調(diào)整，外光路準(zhǔn)直，光纖對(duì)準(zhǔn)耦合分析等。

外形尺寸：

性能特點(diǎn)：

本產(chǎn)品像素大小3.45μm

光斑檢測(cè)直徑范圍34.5μm~7mm

標(biāo)配磁吸衰減，方便操作，可選更高功率衰減配置，功率范圍可達(dá)1000W

支持手動(dòng)和自動(dòng)實(shí)時(shí)曝光及增益調(diào)節(jié)

高性價(jià)比，可代替進(jìn)口激光光束質(zhì)量分析儀，實(shí)現(xiàn)激光光斑檢測(cè)及測(cè)試應(yīng)用

產(chǎn)品參數(shù)：

審核編輯 ：李倩