圣光机大学科学家发出创纪录的小型纳米激光器用于超紧凑芯片
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圣光机大学科学家发出创纪录的小型纳米激光器用于超紧凑芯片

ITMO 科学家们成功研发出了世界上最小的纳米激光器,将其尺寸从310纳米缩小到了200纳米(相比毫米小了5000倍!)。该装置可在室温下工作,并且可以在标准光学显微镜中观察到激光器发出的绿光。这项研发将有助于制造数字微设备和用于健康指标分析的微小器件,并提高虚拟现实眼镜屏幕的色彩表现质量。

纳米激光器是尺寸小于光波长(或光子-光的基本粒子)的激光器。通常,它们的尺寸在三个空间维度(长度、高度和宽度)都在数百纳米的量级。利用这些装置,可以制造微电子器件的微小零件。这些器件不仅包括用于实验室的复杂计算技术,还包括医疗设备和甚至游戏机的单独组件。随着时间的推移,微电子技术变得越来越复杂,需要制造更加紧凑的组件,但由于尺寸限制,仅有少数装置能够生产这些组件。

ITMO科学家们提出了新的技术,以满足这些要求。该研发项目涉及使用钙钛矿纳米颗粒(一种由CsPbBr3化学成分组成的材料)的技术。自2017年以来,该材料一直在该大学的实验室中进行研究。经过一段时间的研究,科学家们已经证明了这种材料的稳定性,具有高光学增益系数(可以最大程度地有效利用光能),最重要的是,它在绿色光谱下工作效果最佳。

长期以来,,这个波长范围对于制造紧凑的激光器来说一直是最具挑战性的,特别是在生产规模上。这个可见光谱的部分甚至被称为“绿色间隙”。然而,科学家们最终通过钙钛矿解决了这个问题。这为进一步使纳米激光器更加紧凑打开了可能性,因为绿光的波长比传统微激光器中使用的红外光子小三倍。

大部分实验是由ITMO研究生Mikhail Masharin和Daria Khmelevskaya完成的;该项目由物理和数学科学博士、ITMO混合纳米光子学和光电子学实验室负责人谢尔盖·马卡罗夫(Sergei Makarov)领导。

"所提出的纳米激光器设计的关键思想是利用新的工作机制来建立“光-物质”之间的强耦合。这有助于极大地降低激活门槛。纳米激光器的辐射具有定向特性,这使得我们能够在我们的光学系统中有效地收集它,并在实验室光谱仪上进行记录(一种用于记录、处理和分析光波的仪器)",ITMO混合纳米光子学和光电子学实验室的负责人Sergey Makarov介绍道。

在目前的研究阶段,科学家们已经成功将钙钛矿颗粒放置在金属上。这为创造一种通过电而非光激活的纳米激光器设备提供了可能。基于这样的超紧凑激光二极管,可以制造增强现实眼镜中的微像素、用于监测人体健康状态的医疗设备,以及多功能光学芯片。

这项研究是在“2030年优先事项”计划的框架下进行的。

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