ACS Nano：核壳半导体微棒实现激光波长灵活调制

【引言】

半导体微纳棒激光器由于其尺寸紧凑，强光学限制和能够产生足够的光学增益等特点，作为集成光子应用的理想模块，也吸引了越来越多的注意力。此外对于一些领域例如环境监测，光通信，饱和光谱学等领域，都需要波长连续可变的激光（WCVLs），而纳米棒激光器，由于其自身特点使得其有望实现波长的灵活调制。

【成果简介】

近日，北京大学胡晓东教授（通讯作者）和中科院国家纳米能源与系统研究所潘曹峰教授（通讯作者）团队研究发现一种去耦介质和光腔结合的结构，并提出了该种结构的激光波长调节的机制。基于上述结构，该团队设计了单个GaN / InGaN核壳微结构，并实现了波长连续可变，而不改变谐振腔几何结构的的激光器。通过这种方法可以灵活重复调节激光器工作波长从372到408nm。这种方法在许多领域表现出了巨大的应用潜力，例如光通信，环境监测等。

【图文导读】

图1 核壳结构示意图和原理

图（A）去耦增益介质和谐振腔结构示意图

图（B）WCVLs作用原理图，通过泵浦光照射在结构的不同位置可以获得波长的改变。

图2 核壳结构的仿真

图（A）在不同核壳尺寸参数和核心光场强度的关系，插图是核壳结构支持的基本模式的二位光场分布示意图

图（B）设置GaN芯的半径为75nm，工作波长为390nm，核心光场强度比例在不同模式下的变化

图（C）将GaN芯的半径设定为1μm，将工作波长从370改变为410 nm，核心光场强度比例在不同模式下的变化

图3 核壳结构的表征和测试

图（A）GaN微柱结构侧壁和正六边形截面的扫描电镜图，图中插图是顶部的AFM图

图（B）10μm的GaN微棒激发的激光光谱

图（D）相同微棒激光器的阈值曲线和光谱的半高宽

图4 GaN核心核壳表面的测试

图（A）核壳结构转移到蓝宝石衬底上，插图是核壳结构的HAADF-STEM图像

图（B）沿着生长方向从A到B处的扫描能量谱

图（C）GaN微柱结构不同位置下激发的微型光致发光谱，激发光波长为325nm.

图5 GaN核心的核壳结构性能

图（A）激光谱和不同激发点处的实色光学显微镜图像

图（B）不同激发点的能量依赖关系

图（C）GaN核心长度对FSR的影响，以及对FP共振的理论计算值

【小结】

该实验成果证明了一种可以利用增益介质和光学腔室去耦的核壳结构来实现波长的灵活调制，具有结构简单，无需额外的外围转化系统等特点。使用这种方法利用单个合成的微棒可以实现非常高的波长变化率3.6nm /μm，调节范围也达到了372nm-408nm.采用这种结构的WCVLs可以应用在许多材料领域，在其他相关领域也有着巨大应用潜力。

文献链接：Flexibly and Repeatedly Modulating Lasing Wavelengths in a Single Core−Shell Semiconductor Microrod（ACS Nano, 2017, DOI:10.1021/acsnano.7b01417）

本文由材料人电子电工学术组hxxurui供稿，材料牛整理编辑。

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