CQD disperso autoensamblado en un clúster CQD compacto para lograr una alta densidad de empaquetamiento, luego a la microesfera de ensamblaje CQD para lograr una alta eficiencia de acoplamiento, finalmente a la microesfera solidificada para lograr un láser de alta T estable e integrado. La microesfera de ensamblaje de CQD puede servir tanto como medio de ganancia como como microcavidad. Las luces viajan dentro de la microcavidad WGM debido a la reflexión interna total en el límite del resonador para lograr una alta eficiencia de acoplamiento. Los CQDAM se solidifican en una matriz de sílice mediante el método sol-gel para garantizar un trabajo estable a alta temperatura. Crédito:Hongxing Dong, Wei Xie, Long Zhang
Láseres de micro / nanoestructura de alto rendimiento, como componentes de fuente óptica multifuncional, son de gran importancia para los dispositivos optoelectrónicos. Hacia este objetivo, científicos en China inventaron un microláser de punto cuántico de bajo costo, ultraestable y de alta eficiencia, que puede funcionar incluso a 450 K, la temperatura operativa más alta para los láseres de puntos cuánticos. La técnica innovadora promueve sustancialmente su desarrollo desde el estudio de rendimiento basal hasta la compatibilidad práctica superior para microláseres de alta temperatura y bajo costo y comercialización predecible.
Los puntos cuánticos coloidales de baja dimensión (CQD) han atraído una atención significativa debido a sus estructuras únicas, extraordinarias propiedades ópticas, y procesos de preparación de bajo costo. Desde su primera síntesis en la década de 1990, La motivación para realizar micro / nano-láseres CQD de alto rendimiento y bajo costo ha sido una fuerza impulsora durante más de tres décadas. Sin embargo, la baja densidad de empaquetamiento, acoplamiento ineficaz de CQD con cavidades ópticas, y la escasa estabilidad térmica de los sistemas complejos miniaturizados dificultan la consecución de prácticos micro / nanoláseres CQD, especialmente para combinar la capacidad de trabajo continuo a altas temperaturas y el potencial de bajo costo con tecnologías de síntesis producidas en masa. Por eso, Resolver los problemas clave anteriores de manera eficiente requiere nuevas ideas diferentes de la investigación láser CQD tradicional.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Hongxing Dong y el profesor Long Zhang del Laboratorio clave de materiales para láser de alta potencia, Instituto de Óptica y Mecánica Fina de Shanghai, Academia china de ciencias, Porcelana, y colaboradores han desarrollado una técnica de ensamblaje novedosa combinada con el método sol-gel para fabricar microesferas ensambladas con CQD (CQDAM) solidificadas en una matriz de sílice, lo que no solo garantiza que los CQDAM funcionen de manera estable a altas temperaturas, sino que también resuelve los problemas de densidad de empaquetamiento de ganancia y eficiencia de acoplamiento.
Los investigadores lograron por primera vez el láser monomodo basado en CQDAM solidificadas con temperaturas operativas de hasta 450 K. Hasta ahora, esta es la temperatura operativa más alta para los microláseres CQD. Incluso si trabajan continuamente en un entorno de tan alta temperatura, la salida estable de pulsos láser se puede mantener durante 40 min. Al cambiar la composición y / o el tamaño de CQD, El láser monomodo se puede extender a todo el rango espectral visible. Es más, el método procesable en solución tiene las ventajas de bajo costo y potencial para la producción en masa. No requiere un procesamiento complejo de cavidades ópticas, lo que significa que no se requieren equipos costosos ni procesos extremadamente complejos. Mientras tanto, Estos láseres CQDAM se pueden integrar altamente en un microsustrato, y también aplicable a otros tipos de nanopartículas semiconductoras, que promueven un valor de aplicación comercial predecible en dispositivos optoelectrónicos microintegrados de alta temperatura y bajo costo.
a, Diagrama esquemático de los microláseres CQD integrados producidos en serie que trabajan a alta temperatura. B, Imagen en color real de las diferentes muestras de matriz de sílice basadas en CQD excitadas por luz ultravioleta. C, Imagen microscópica ampliada interna correspondiente en condiciones de alta excitación. Los puntos rojos son los CQDAM láser a 400 K. d, Láseres multicolores monomodo provenientes de CQDAM de diferentes composiciones y / o tamaños, cuyas energías láser cubren todo el rango visible. Crédito:Hongxing Dong, Wei Xie, Long Zhang
En el campo de la investigación de dispositivos micro / nanoláseres, El láser CQD de alto rendimiento y bajo costo es un tema candente importante. Desafortunadamente, el desarrollo es obviamente histerético considerando la coexistencia de los desafíos multinivel, es decir, (1) el requisito básico de un excelente rendimiento láser; (2) la capacidad de promoción para cumplir con las condiciones de aplicación, como el trabajo continuo con alta estabilidad, aplicabilidad en ambientes de alta temperatura; (3) la combinación de la ventaja de producción de bajo costo y los méritos de los puntos anteriores (1), (2). Estos científicos resumen las ideas de diseño originales de sus microláseres:
"Desde el punto de vista de la ganancia media, los CQD autoensamblados casi alcanzan el límite alto de densidad de empaque, asegurando suficiente ganancia óptica. Desde el punto de vista del acoplamiento luz-materia, tales muestras de CQDAM se utilizan como materiales de ganancia y como microcavidades ópticas, mejorando completamente la eficiencia del acoplamiento de materia ligera. Desde el punto de vista del rendimiento de la cavidad óptica, La microcavidad esférica WGM puede mejorar eficazmente la capacidad de confinamiento de los fotones de la cavidad. Para una muestra CQDAM de volumen de aproximadamente 1 μm -3 , sólo podría haber un único modo resonante afectado en el rango de longitud de onda de emisión. Sin embargo, el factor Q del modo operativo podría ser 10 4 . Más importante, combinamos estas tres ventajas de diferentes aspectos en la muestra CQDAM ".
"Además de los parámetros láser anteriores, la estabilidad del láser a alta temperatura también es un aspecto importante relacionado con el potencial de comercialización. El problema de la disipación de calor es una dificultad intrínseca e inevitable para la próxima generación de dispositivos láser integrados con microchip. En este trabajo, La temperatura operativa del microláser CQD se demuestra en 450 K. Además, El microláser CQDs se puede integrar de alta densidad con una excelente capacidad de trabajo incluso a una temperatura tan alta. Además, Nuestro método de fabricación de microláseres CQD, único pero genérico, es muy atractivo y prometedor desde un punto de vista comercial, ya que puede reducir en gran medida los costos de fabricación y simplificar el proceso de fabricación. beneficiando así su producción industrial a gran escala. En otras palabras, Estos procesos de preparación de soluciones altamente eficientes no necesitan técnicas de procesamiento complejas ni equipos de procesamiento costosos, los costos son principalmente los materiales de bajo precio. Esta capacidad de fabricación rentable y la capacidad de integración flexible allanan una nueva ruta y prometen un gran potencial en el avance de los microláseres CQD desde el laboratorio hasta la industrialización. ", agregaron.
"Además, desde la primera demostración de emisión estimulada de CQD, La búsqueda del láser CQD con bombeo eléctrico se ha convertido en objeto de intensa investigación. Curiosamente, nuestros CQDAM pueden servir tanto como medio de ganancia como como cavidad óptica, que se puede incorporar fácilmente en la arquitectura electroluminiscente como una capa emisora para permitir nanoláseres bombeados eléctricamente. De hecho, la realización de un micro láser electroinducido es un gran desafío, y es necesario resolver problemas más complejos, que también es una parte importante de nuestra investigación futura, "pronostican los científicos.
