Menu 

Menu
  1. 首页
  2. 行业新闻
  3. 自频率转换纳米线激光器

自频率转换纳米线激光器

撰稿 | 课题组供稿
导读
近日，西北工业大学赵建林/甘雪涛教授团队，与澳大利亚国立大学Jagadish教授团队，以及中科院上海技术物理研究所陆卫/陈平平研究员等合作提出一种基于半导体纳米线的频率自转换激光器，为拓展亚波长尺度上激光光源的工作波长（紫外到太赫兹波段）提供了可能的技术路线。
背景介绍
纳米线激光器具有结构紧凑、易于集成、能耗超低的优点，非常适合构筑微型光子集成系统的亚波长尺度光源。经过近20年的发展，纳米线激光器已经在II-VI族、III-V族、以及钙钛矿等多种材料体系中实现。同时，量子阱、量子点结构的引入进一步降低了纳米线激光器的阈值并提高了温度稳定性。近年来趋于成熟的选区外延技术使得纳米线生长的组分、形貌更加可控，促进了高功率阵列纳米线激光器的发展。这些进展均极大地促进了纳米线激光器在光学互联、传感显示、生物医学等方面的未来应用。
然而，受限于半导体纳米线特定的增益光谱范围，某些波段的纳米线激光器仍然很难实现，限制了其应用领域。尽管理论上可通过控制多元半导体组分使得纳米线激光器的发射光谱覆盖很宽的波长范围，但实际上，在很多波段，纳米线的材料生长都面临相当多的困难与挑战。例如，由于高铟组分量子阱存在很高密度的位错，能够发射绿色激光的InGaN纳米线激光器至今没有实现。
回顾激光技术的发展历程，在激光器发展初期也存在由增益介质发光波段限制而在特定波段难以输出激光的问题。然而，目前工业界和科研实验室中的商业化激光器几乎可以输出波段覆盖从紫外到太赫兹的相干光，其实现的最关键技术就是利用外置非线性晶体对激光器的输出光进行频率转换，包括二次谐波（Second Harmonic Generation, SHG）、和频（Sum-Frequency Generation, SFG）、差频（Difference-Frequency Generation, DFG）、光参量放大（Optical Parametric Amplifier, OPA）、光参量振荡（Optical Parametric Oscillation, OPO）等。例如，波长为532 nm的高功率绿色激光器通常是利用二阶非线性晶体对1064 nm的Nd:YAG激光通过二次谐波实现的；基于光参量放大器或振荡器，可实现大范围波长连续调谐（如在近红外波段，调谐范围可大于1000 nm）的激光器。借鉴这些传统激光器扩展输出波长的思路，可通过非线性频率转换对纳米线激光器的工作波长进行拓展。
 
创新研究
受传统激光器的变频技术启发，在本文中，研究人员提出利用二阶非线性效应拓展纳米线激光器输出波长的思路。然而，不同于传统激光器采用外置非线性晶体的方案，由于用来实现纳米线激光器的III-V族纳米线本身具有非常强的二阶非线性效应，可以使其在实现激光输出的同时，借助激光器腔内高场强同时获得高的非线性频率转换，即获得一种自频率转换激光器（如图1所示）。值得指出，受限于纳米线激光器很低的输出功率，很难用其泵浦外置非线性晶体以实现频率转换。
自频率转换纳米线激光器
图1. 自频率转换纳米线激光器示意图
 
自频率转换纳米线激光器
图2. 单模纳米线激光器中自频率转换效应
 
实验上，利用选区外延技术生长了高质量的核壳结构GaAs/In0.16Ga0.84As纳米线，并将其转移至氧化硅衬底上，纳米线两个端面（如图2a所示）构成了作为激光器共振腔的法布里-珀罗腔（Fabry–Pérot cavity）。通过光泵浦获得了输出波长在1016 nm的单模激光输出，同时在508 nm的可见光波长处也获得了强烈的激光输出（如图2b所示）。通过分析两个波长处激光输出的远场辐射特性以及功率依赖性（如图2c,d所示），并结合数值建模，确认了508 nm的激光输出是1016 nm基频激光输出的自倍频（二次谐波）所产生，即自频率转换的激光输出。

 

自频率转换纳米线激光器
图3. 多模纳米线激光器中的自频率转化效应
 
除了倍频以外，III-V族纳米线的二阶非线性效应还支持其它频率转换过程，包括和频、差频等，可以进一步拓展纳米线激光器的工作波长。实验上，利用具有更大直径的纳米线实现近红外波段多个模式的基频激光输出，同时在相应的可见光波段也观察到多个激光峰（如图3所示）。计算以及实验表明，得益于纳米线高效的非线性效应，这些可见光波段的激光峰来自于基频激光的倍频以及和频过程。值得一提的是，利用差频过程，该纳米线激光器还可以输出新的中红外波段激光。例如，用于产生和频的ω6的ω2与ω4进行差频，可出现6678 nm的激光波长。受限于实验仪器的光谱测试范围，没有直接观察到该差频信号。如果进一步减小基频激光的频率差，可将差频激光红移至太赫兹波段。因此，研究人员认为，借助纳米线自身的二阶非线性效应，对其所构建的激光器进行自泵浦频率转换以获得新激光波长的思路，为拓展亚波长尺度上激光光源的工作波长（紫外到太赫兹波段）提供了一条新的技术路径。

 

论文信息
该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“Self-frequency-conversion nanowire lasers”，西北工业大学博士研究生弋瑞轩、张旭涛副教授为共同第一作者，甘雪涛教授、张旭涛副教授为共同通讯作者。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41377-022-00807-7

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间联系我们，我们将协调进行处理，最终解释权归旭为光电所有。

光学超构表面原理与应用光学超构表面原理与应用 EOPC扫描振镜EOPC扫描振镜 Light Adv. Manuf. | 外差相位解调光致热弹光谱Light Adv. Manuf. | 外差相位解调光致热弹光谱 III-V族激光器与硅光子器件单片集成III-V族激光器与硅光子器件单片集成 Default Thumbnail初大平教授：更佳的3D表面测量技术，“大视场、大高差、异质材料、高精度” Interview with PIs HighFinesse波长计HighFinesse波长计 Default Thumbnail从无序到有序：光的湍流创造频率梳