Die Peking-Universität realisierte eine kontinuierliche Perowskit-Laserquelle, die kleiner als 1 Quadratmikrometer ist

Die Peking-Universität realisierte eine kontinuierliche Perowskit-Laserquellekleiner als 1 Quadratmikrometer
Um die Anforderungen an den niedrigen Energieverbrauch optischer On-Chip-Verbindungen (<10 fJ bit-1) zu erfüllen, muss eine kontinuierliche Laserquelle mit einer Gerätefläche von weniger als 1 μm2 konstruiert werden. Mit abnehmender Gerätegröße nehmen jedoch auch die optischen und materiellen Verluste erheblich zu. Daher ist es äußerst schwierig, Geräte im Submikrometerbereich zu erreichen und kontinuierliches optisches Pumpen von Laserquellen zu ermöglichen. In den letzten Jahren haben Halogenid-Perowskit-Materialien aufgrund ihrer hohen optischen Verstärkung und einzigartigen Exziton-Polariton-Eigenschaften im Bereich kontinuierlich optisch gepumpter Laser große Aufmerksamkeit erhalten. Die Gerätefläche der bisher gemeldeten kontinuierlichen Perowskit-Laserquellen beträgt immer noch mehr als 10 μm2, und alle Submikrometer-Laserquellen benötigen zur Anregung gepulstes Licht mit höherer Pumpenergiedichte.

Als Antwort auf diese Herausforderung gelang es der Forschungsgruppe um Zhang Qing von der Fakultät für Materialwissenschaft und -technik der Peking-Universität, hochwertige Perowskit-Submikron-Einkristallmaterialien herzustellen, um kontinuierlich optisch gepumpte Laserquellen mit einer Gerätefläche von nur 0,65 μm² zu realisieren. Gleichzeitig wird das Photon freigesetzt. Der Mechanismus der Exzitonenpolariton im kontinuierlich optisch gepumpten Submikron-Laserprozess ist gut verstanden, was neue Ideen für die Entwicklung kleiner Halbleiterlaser mit niedriger Schwelle liefert. Die Ergebnisse der Studie mit dem Titel „Kontinuierlich wellengepumpte Perowskitlaser mit einer Gerätefläche unter 1 μm²“ wurden kürzlich in Advanced Materials veröffentlicht.

In dieser Arbeit wurde ein anorganisches Perowskit-Einkristall-Mikronblatt CsPbBr3 durch chemische Gasphasenabscheidung auf einem Saphirsubstrat hergestellt. Es wurde beobachtet, dass die starke Kopplung von Perowskit-Exzitonen mit den Photonen der Schallwand-Mikrokavität bei Raumtemperatur zur Bildung von Exzitonen-Polaritonen führte. Durch eine Reihe von Beweisen, wie z. B. lineare zu nichtlineare Emissionsintensität, geringe Linienbreite, Transformation der Emissionspolarisation und räumliche Kohärenztransformation an der Schwelle, wird die kontinuierliche optisch gepumpte Fluoreszenzlaser des submikrometergroßen CsPbBr3-Einkristalls bestätigt, und die Gerätefläche beträgt nur 0,65 μm2. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass die Schwelle der Submikrometer-Laserquelle mit der der großen Laserquelle vergleichbar ist und sogar noch niedriger sein kann (Abbildung 1).

Abbildung 1. Kontinuierlich optisch gepumptes Submikron-CsPbBr3Laserlichtquelle

Darüber hinaus untersucht diese Arbeit experimentell und theoretisch den Mechanismus exzitonenpolarisierter Exzitonen bei der Realisierung von kontinuierlichen Submikrometer-Laserquellen und enthüllt ihn. Die verbesserte Photon-Exziton-Kopplung in Submikrometer-Perowskiten führt zu einem signifikanten Anstieg des Gruppenbrechungsindex auf etwa 80, wodurch die Modenverstärkung deutlich erhöht und der Modenverlust kompensiert wird. Dies führt zudem zu einer Perowskit-Submikrometer-Laserquelle mit einem höheren effektiven Mikrokavitätsqualitätsfaktor und einer schmaleren Emissionslinienbreite (Abbildung 2). Der Mechanismus liefert zudem neue Erkenntnisse für die Entwicklung kleiner, niedrigschwelliger Laser auf Basis anderer Halbleitermaterialien.

Abbildung 2. Mechanismus einer Submikrometer-Laserquelle mit exzitonischen Polarisatoren

Song Jiepeng, ein Zhibo-Student des Jahrgangs 2020 an der Fakultät für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen der Peking-Universität, ist Erstautor der Arbeit, und die Peking-Universität ist die erste Einheit der Arbeit. Zhang Qing und Xiong Qihua, Professor für Physik an der Tsinghua-Universität, sind die korrespondierenden Autoren. Die Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China und der Beijing Science Foundation for Outstanding Young People gefördert.