Главная / Библиотека / Спектральный анализ эмиссии нанолазеров

Спектральный анализ эмиссии нанолазеров

Спектральный анализ эмиссии нанолазеров

Введение

Нанолазеры, генерирующие лазерное излучение в широком спектральном диапазоне при комнатной температуре, стали мощными инструментами для самых современных приложений в оптоэлектронике и нанофотонике. В частности, такие лазеры используются для создания ультракомпактных оптических чипов, которые можно использовать для быстрой обработки информации. Кроме того, за счет малого размера и возможности настройки параметров излучателя, нанолазеры находят применение в ближнепольной спектроскопии, оптическом зондирования биологических систем и генерации электромагнитного излучения сложной формы.

Первый нанолазер был сформирован около десяти лет назад. До недавнего времени производство нанолазеров было весьма дорогим и затруднительным процессом, однако группа российских ученых нашла простой и эффективный способ изготовления таких нанолазеров на основе галоидных перовскитов: соединений метиламмония, свинца и галогена (хлора, брома или иода), под действием фемтосекундных импульсов.  Эти соединения обладают высоким коэффициентом преломления и практически не чувствительны к дефектам, что позволяет их использовать для построения оптического резонатора микронного размера. При этом геометрия такого резонатора может быть весьма разнообразной, но должна обладать правильной формой. Перовскитные резонансные микроструктуры, представляющие собой нанолазеры, могут быть изготовлены в виде нанопроволоки, микродиска, микросферы, плоской микроструктуры с многоугольной (треугольной, квадратной, шестиугольной) формой.

Большинство галоидных перовскитов поддерживают экситоны при комнатных температурах, и, таким образом, высокая плотность состояний вблизи дна зоны проводимости может привести к высокой люминесцентной квантовой эффективности и оптическому усилению. Длина волны генерируемого излучения напрямую зависит от химического состава перовскита. Перовскитные наноструктуры позволяют генерировать стимулированное излучение в видимом спектральном диапазоне (420 – 824 нм).

Таким образом, микроструктуры, сформированные в галоидных перовскитах, способны действовать как резонатор, то есть усиливать излучение с частотой, совпадающей с частотой моды шепчущей галереи. Эта частота зависит от химического состава подложки и геометрических характеристик микроструктуры. Химический состав материала микрорезонаторов определяет их выходные характеристики при оптическом возбуждении, геометрическая форма резонатора определяет положение собственных мод, обеспечивающих лазирование. Характеристики таких объектов крайне чувствительны к внешнему окружению, что делает их перспективными при создании газовых сенсоров и мультифункциональных устройств на основе перовскитных нанолазеров.

Изготовление кольцевых нанолазеров

На рис. 1 представлены процессы изготовления и фотовозбуждения перовскитных кольцевых нанолазеров. Для изготовления таких нанолазеров использовалось прямое облучение перовскитной пленки MAPbI3 толщиной 760 нм, нанесенной на поверхность кварцевого стекла, фемтосекундными лазерными импульсами с кольцевым распределением интенсивности. Для преобразования профиля стандартного Гауссова распределения интенсивности в кольцевое распределение могут быть использованы спиральные (вихревые) пластины (их можно найти в каталоге оптических элементов Thorlabs, HoloOr, Edmund Optics). Формирование кольцевых структур в перовскитной пленке было основано на явлении абляции.

1lm
Рисунок 1. Изготовление и фотовозбуждение дисковых микролазеров (справа сверху представлена микрофотография записанных нанолазеров, полученная с применением сканирующего электронного микроскопа, справа снизу представлена фотография массива размером 1 х 1 см записанных кольцевых нанолазеров)

Исследование спектральных характеристик кольцевых нанолазеров

Свойства генерации отдельных микродисков были изучены при их оптическом возбуждении на длине волны 532 нм с использованием удвоенных по частоте импульсов Nd:YAG лазера с частотой повторения 1.5 кГц и длительностью импульса 0.56 нс. Лазерный пучок фокусировался на поверхность образца при нормальном падении с помощью объектива с числовой апертурой NA = 0.14 и увеличением 5х (подобные объективы можно найти в каталоге компаний Thorlabs, Edmund Optics, Mitutoyo. Генерируемое микродиском излучение собирали с применением объектива, скорректированного на бесконечность, с числовой апертурой NA = 0.95 и увеличением 100х и проводили спектральный анализ. При этом остаточный световой поток от возбуждающего пучка блокировался длинноволновым фильтром с длиной волны среза 550 нм (Thorlabs). Эмиссия кольцевого нанолазера изучалась со спектральным разрешением 0.2 нм. Все измерения проводились при комнатной температуре на воздухе.

На рис. 2а показана спектральная эволюция фотолюминесценции при увеличении плотности энергии лазерной накачки до порогового значения 0.3 мДж/см2 для микродиска диаметром 3.8 мкм. Наблюдения продемонстрировали все основные особенности лазирования: четкий порог излучения при генерации моды (0.2 – 0.3 мДж/см2) и резкое сужение спектра на 2 порядка (от 38 нм до менее 0.2 нм).

2lm
Рисунок 2. Свойства лазирования одиночного микродиска: (а) лазирование диска MAPbI3 (D = 3.8 мкм) при различной интенсивности накачки, (b) спектры эмиссии перовскитных микродисков с различными диаметрами от 2 мкм до 9 мкм, (c) cтатистические данные о количестве мод в каждом перовскитном нанолазере и длины волн наиболее интенсивных мод (вставка), (d) спектры лазирования перовскитных нанолазеров различного состава: MAPbI3 (коричневая кривая), MAPbBrI2 (красная кривая) и MAPbBr3 (зеленая кривая) с оптическими изображениями излучения микродисков различного состава (вставки)

Предложенный метод изготовления микродисков позволяет постепенно изменять их диаметры, что определяет модовый состав и приводит к различным спектрам генерации. Как правило, для большинства микродисков с диаметрами в диапазоне 2 – 9 мкм наблюдался одномодовый режим работы (рис. 2 с, d). Статистический анализ показал, что более половины микродисков демонстрируют одномодовую генерацию, тогда как случайное отклонение от центральной длины волны генерации 787 нм составляет около 7 нм (рис. 2 d). На рис. 2 e показано, что аналогичный одномодовый режим наблюдался для микродисков, изготовленных из различных композиций перовскита.

Применение спектрометра Light Machinery для спектрального анализа эмиссии перовскитных нанолазеров

Для определения характеристик сверхтонких эмиссионных линий и модового состава электромагнитных волн, формируемых в оптических резонаторах нанолазеров различной конфигурации, применяется спектрометрический анализ. При этом важно обеспечить измерения с высоким разрешением. Для решения подобной задачи может быть использован спектрометр HyperFine от компании LightMachinery, оптическая схема (рис. 3) которого состоит из цилиндрической линзы, фокусирующей входное излучение по одной координате, специализированного VIPA эталона, обеспечивающего дисперсию в вертикальном направлении, дифракционной решетки, обеспечивающей дисперсию в горизонтальном направлении, и сферической линзы, передающей диспергированное излучение на регистрирующую часть системы. Такая конструкция оптической схемы создает спектральное разрешение около 1 пм.

shema.png
Рисунок 3. Оптическая схема спектрометра HyperFine компании LightMachinery, обеспечивающая спектральное разрешение 1 пм

 

ACS Nano, 13 (2019) 4140
Adv. Opt. Mater., 7 (2019) 1800784
ACS Appl. Mater. Interfaces, 11 (2019) 1040
© LightMachinery Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs, Edmund Optics, OptoSigma, MitutoyoLightMachinery, HoloOr на территории РФ

 

 

 

 

Теги эмиссия нанолазеры нанолазеры спектральный анализ моды нанолазера спектральное разрешение 1 пм
Новые статьи
Генерация векторных и вихревых пучков путем акустического возбуждения оптического волокна

В последние годы структурированные лазерные пучки привлекают все большее внимание. На сегодняшний день существует ряд методов для генерация подобных пучков в свободном пространстве, а также с использованием оптического волокна...

Измерение спектров солнечного света LightMachinery

За последние несколько лет LightMachinery представила новую серию спектрометров с перекрестной дисперсией. Устройства охватывают спектральный диапазон от 270 нм до 1675 нм, отдельные модели обладают рекордным разрешением 0.5 пм.

Генерация суперконтинуума в волокне CorActive

Источники излучения среднего ИК диапазона долгое время являются предметом интереса многих ученых. Это обусловлено обширным потенциалом применения этих источников в области молекулярных исследований. Один из видов источников ИК волн – суперконтинуум лазеры, сочетающие яркость волоконных лазеров со сверхшироким спектральным диапазоном излучения черного тела.

Как измерить мощность высокомощного лазера?

В процессе работы лазера во многих приложениях зачастую требуется контроль энергетических параметров излучения. Компания Thorlabs предлагает универсальный измеритель мощности лазерного излучения S322C на основе термодатчика, способный регистрировать сигналы мощностью от 100 мВт до 200 Вт в широком диапазоне длин волн от 250 нм до 11 мкм...

Компоненты фемтосекундных лазеров

Короткоимпульсные лазеры используются в приложении к различным методам спектроскопии, (в частности, времяразрешенной), точной обработки материалов. Современные разработки в этой области направлены на создание лазеров с высокой выходной мощностью.

Оптические столы в приложениях с высоким уровнем вибраций

Важной частью каждой оптической лаборатории является оптический стол. Оптический стол должен обладать достаточной жесткостью, амортизацией, плоскостностью, чистотой поверхности, равномерным коэффициентом теплового расширения. На оптической плите располагаются тщательно выверенные массивы резьбовых отверстий. Но самой важной характеристикой является то, что они обеспечивают высокую стабильность оптической системы.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б, офис 502

г. Санкт-Петербург, Коломяжский проспект, 33 корпус 2