ITMO 的研究人员展示了一种利用钙钛矿超表面产生激光辐射的新技术。该解决方案将为厚度小于 100 nm 并且需要更少能量的下一代激光器铺平道路。本发明可以结合到用于光控制的紧凑型光子芯片中，或用作医学（例如，用于组织或血液诊断）、材料加工、天文学和其他领域的强光源。这项研究的结果发表在该杂志上。
全球光子学界正在努力开发既低门槛又具有成本效益的先进激光器。由于大多数激光器由泵浦源、活性介质和谐振器组成，专家们必须用能量泵浦活性介质以建立粒子数反转——一种激发电子和空穴（带正电粒子）数量更多的状态比那些处于正常、未兴奋状态的人。当系统的成员被激发时——或者换句话说，与原子分离时，例如在能量转移过程中发生——它们可以在半导体内自由移动。当电子返回其基态时，它会以光子或光粒子的形式释放能量。虽然它被广泛用于通过谐振器产生激光辐射，但这个过程，
为了降低激光的能量需求，科学家们正试图通过使用极具前景的激子极化激元来绕过粒子数反转的需要。事实上，这些准粒子是光与物质的混合物，可产生超快的非线性光学效应。此外，它们的有效质量比电子等的有效质量小几个数量级，这导致玻色-爱因斯坦凝聚体的产生。
这种在低阈值激光发射中表现出来的物质状态引起了研究人员的兴趣，因为它不需要粒子数反转并降低了能量需求。除此之外，状态促进了多种现象，例如 Bogoliubov 变换，尚待实验观察。
最近，研究人员最近在基于 GaAs 量子阱的极化子晶格中重现了这种状态。也就是说，开发的材料表现出低激子结合能，这将其工作温度限制在 -267°C，在该温度下激子 - 以及激子 - 极化子 - 可以产生激光发射。
ITMO 研究人员的建议
来自 ITMO 大学的科学家提出了一种产生极化子激光辐射的新方法，这将允许在商业产品中使用极化子系统。他们的方法基于钙钛矿超表面，在非线性状态下，在光泵浦的影响下，所谓的异常点出现在钙钛矿超表面上。该效应为极化子凝聚创造了有利条件，这对激光来说是必需的。
该方法的主要优点是所提供的系统由低成本的钙钛矿组成，不需要昂贵的合成程序。虽然极化子凝聚通常在基于高精度多层系统的垂直布拉格谐振器中观察到，但由于钙钛矿，科学家们设法仅在一个晶格上实现了相同的效果。晶格结构紧凑且价格适中，其制造方法纳米压印光刻可以轻松放大。此外，这种晶格中的凝聚极化子具有强大的非线性光学特性，这使得利用光来控制激光辐射及其光谱成为可能。
学习过程
研究人员合成了一层钙钛矿薄膜，然后通过纳米压印光刻将其变成晶格状超表面。蓝光光盘充当制造过程的模具。由此产生的超表面厚度仅为 75 nm，这是此类工艺中可能达到的最小厚度。
然后通过角分辨率光谱研究样品，这意味着研究人员使微表面在非线性状态下经受光泵浦，并测量由此产生的激光发射的波长和角度。正在研究的样品与另一个薄 10 纳米的样品进行了比较。当试图激发极化子凝聚所必需的异常点的出现时，这种差异被证明是至关重要的。
结果与展望
该研究的作者发现，观察到的极化子发射具有极高的方向性，发散角小于 1 度——这是以前平面极化子激光器无法实现的结果。这意味着此类激光器可用于传输能量和信息，以及光谱学、医疗诊断程序、视频显示和其他领域。
“由于使用了卤化物钙钛矿和超表面的特殊设计，我们成功地创建了一个能够支持无反转极化激元激光的激子-极化激元系统。这种类型的发射不需要谐振器来产生，并且可以在室温下实现，这使得制造纳米激光器的成本大大降低，同时也降低了它们的功耗。因此，我们的工作不仅揭示了一种新的激光辐射方法，而且还开辟了一种制造更便宜的电激发钙钛矿纳米和微型激光器的方法，”该论文的作者之一、ITMO 的初级研究员 Mikhail Masharin 说。物理学院。
未来，科学家们计划将相同的设计原理应用于单晶薄膜，这将进一步降低激光产生的门槛，同时更容易进行后续的电泵浦程序。
这项工作得到了联邦计划 2030 年优先计划和俄罗斯科学与高等教育部的巨额赠款的支持。
