Auto-montagem CQD dispersa em cluster CQD compactado para atingir alta densidade de embalagem, em seguida, para a microesfera de montagem CQD para alcançar alta eficiência de acoplamento, finalmente para a microesfera solidificada para alcançar o laser de alta T estável e integrado. A microesfera de montagem CQD pode servir como meio de ganho e microcavidade. As luzes viajam dentro da microcavidade WGM devido à reflexão interna total no limite do ressonador para alcançar alta eficiência de acoplamento. Os CQDAMs são solidificados em matriz de sílica através do método sol-gel para garantir um trabalho estável em alta temperatura. Crédito:Hongxing Dong, Wei Xie, Long Zhang
Lasers de micro / nanoestrutura de alto desempenho, como componentes de fonte óptica multifuncional, são de grande importância para dispositivos optoeletrônicos. Em direção a esse objetivo, cientistas na China inventaram um microlaser de pontos quânticos de baixo custo e ultra-estável, que pode ser operado até mesmo a 450 K, a mais alta temperatura operacional para lasers de pontos quânticos. A técnica inovadora promove substancialmente o seu desenvolvimento desde o estudo de desempenho basal até a compatibilidade prática sênior para microlasers de alta temperatura e baixo custo e comercialização previsível.
Os pontos quânticos coloidais de baixa dimensão (CQD) têm atraído atenção significativa por causa de suas estruturas únicas, propriedades ópticas extraordinárias, e processos de preparação de baixo custo. Desde sua primeira síntese na década de 1990, A motivação para realizar micro / nanolasers CQD de alto desempenho e baixo custo tem sido uma força motriz por mais de três décadas. Contudo, a baixa densidade de embalagem, acoplamento ineficiente de CQD com cavidades ópticas, e a fraca estabilidade térmica de sistemas complexos miniaturizados torna difícil alcançar micro / nanolasers CQD práticos, especialmente para combinar a capacidade de trabalho contínuo em altas temperaturas e o potencial de baixo custo com tecnologias de síntese produzidas em massa. Portanto, resolver os principais problemas acima com eficiência requer novas idéias diferentes das pesquisas tradicionais de laser CQD.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Hongxing Dong e Professor Long Zhang do Laboratório Chave de Materiais para Laser de Alta Potência, Instituto de Óptica e Mecânica Fina de Xangai, Academia Chinesa de Ciências, China, e colegas de trabalho desenvolveram uma nova técnica de montagem combinada com o método sol-gel para fabricar microesferas CQD montadas (CQDAMs) solidificadas em uma matriz de sílica, o que não apenas garante que os CQDAMs funcionem de forma estável em altas temperaturas, mas também resolve os problemas de ganho de densidade de empacotamento e eficiência de acoplamento.
Os pesquisadores primeiro alcançaram o lasing de modo único com base em CQDAMs solidificados com temperaturas operacionais de até 450 K. Até agora, esta é a temperatura operacional mais alta para microlasers CQD. Mesmo que eles trabalhem continuamente em um ambiente de alta temperatura, a saída estável de pulsos laser pode ser mantida por 40 min. Ao alterar a composição e / ou tamanho do CQD, o lasing de modo único pode ser estendido a toda a faixa espectral visível. Além disso, o método processável por solução tem as vantagens de baixo custo e potencial para produção em massa. Não requer processamento complexo de cavidade óptica, o que significa que nenhum equipamento caro ou processamento extremamente complexo é necessário. Enquanto isso, esses lasers CQDAMs podem ser altamente integrados em um micro-substrato, e também aplicável a outros tipos de nanopartículas semicondutoras, que promovem o valor de aplicação comercial previsível em dispositivos optoeletrônicos micro-integrados de baixo custo e alta temperatura.
uma, Diagrama esquemático dos microlasers CQD integrados produzidos em massa trabalhando em alta temperatura. b, Imagem em cores reais das diferentes amostras de matriz de sílica à base de CQD excitadas por luz ultravioleta. c, Imagem microscópica interna ampliada correspondente sob condição de alta excitação. Os pontos vermelhos são os CQDAMs a 400 K. d, Lasers multicolores de modo único provenientes de CQDAMs de diferentes composições e / ou tamanhos, cujas energias lasing cobrem todo o alcance visível. Crédito:Hongxing Dong, Wei Xie, Long Zhang
No campo de pesquisa de dispositivos micro / nanolasers, o laser CQD de alto desempenho e baixo custo é um tópico importante e importante. Infelizmente, o desenvolvimento é obviamente histérico, considerando a coexistência dos desafios de vários níveis, isso é, (1) o requisito básico de excelente desempenho do laser; (2) a capacidade promocional para atender às condições de aplicação, como trabalho contínuo com alta estabilidade, aplicabilidade em ambientes de alta temperatura; (3) a combinação da vantagem de produção de baixo custo e os méritos dos pontos anteriores (1), (2) Esses cientistas resumem as idéias de design originais de seus microlasers:
"Do ponto de vista do meio de ganho, os CQDs automontados quase atingem o limite superior de densidade de embalagem, garantindo ganho óptico suficiente. Do ponto de vista do acoplamento de matéria leve, tais amostras CQDAM são usadas como materiais de ganho e como microcavidades ópticas, melhorando totalmente a eficiência do acoplamento de matéria leve. Do ponto de vista do desempenho da cavidade óptica, a microcavidade esférica WGM pode efetivamente melhorar a capacidade de confinamento dos fótons da cavidade. Para uma amostra CQDAM de volume de cerca de 1 μm -3 , poderia haver apenas um único modo ressonante afetado na faixa de comprimento de onda de emissão. Contudo, o fator Q do modo operativo pode ser 10 4 . Mais importante, combinamos essas três vantagens de diferentes aspectos na amostra CQDAM. "
"Além dos parâmetros de laser acima, a estabilidade do lasing em alta temperatura também é um aspecto importante relacionado ao potencial de comercialização. O problema de dissipação de calor é uma dificuldade intrínseca e inevitável para a próxima geração de dispositivos de lasing integrados a microchip. Nesse trabalho, a temperatura operacional do microlaser CQD é demonstrada em 450 K. Além disso, o microlaser CQDs pode ser integrado de alta densidade com excelente capacidade de trabalho, mesmo em uma temperatura tão alta. Além disso, nosso método de fabricação de microlasers CQD único, mas genérico, é muito atraente e promissor do ponto de vista comercial, onde pode reduzir significativamente o custo de fabricação e simplificar o processo de fabricação, beneficiando assim a sua produção industrial em grande escala. Em outras palavras, esses processos de preparação de solução altamente eficientes não precisam de técnicas de processamento complexas e equipamentos de processamento caros, os custos são principalmente os materiais de baixo custo. Esta capacidade de fabricação econômica e a capacidade de integração flexível abrem um novo caminho e prometem um grande potencial no avanço dos microlasers CQD do laboratório para a industrialização, "acrescentaram.
"Além disso, desde a primeira demonstração de emissão estimulada de CQD, a busca de lasing CQD eletricamente bombeado se tornou o assunto de intensa pesquisa. Interessantemente, nossos CQDAMs podem servir como um meio de ganho e uma cavidade óptica, que pode ser prontamente incorporado na arquitetura eletroluminescente como uma camada emissora para permitir nanolasers eletricamente bombeados. Na verdade, a realização de um micro laser eletro induzido é um grande desafio, e problemas mais complexos precisam ser resolvidos, que também é uma parte importante de nossa pesquisa futura, "os cientistas previram.
