ACS Nano：核殼半導體微棒實現激光波長靈活調製

【引言】

半導體微納棒激光器由於其尺寸緊湊，強光學限制和能夠產生足夠的光學增益等特點，作為集成光子應用的理想模塊，也吸引了越來越多的注意力。此外對於一些領域例如環境監測，光通信，飽和光譜學等領域，都需要波長連續可變的激光（WCVLs），而納米棒激光器，由於其自身特點使得其有望實現波長的靈活調製。

【成果簡介】

近日，北京大學胡曉東教授（通訊作者）和中科院國家納米能源與系統研究所潘曹峰教授（通訊作者）團隊研究發現一種去耦介質和光腔結合的結構，並提出了該種結構的激光波長調節的機制。基於上述結構，該團隊設計了單個GaN / InGaN核殼微結構，並實現了波長連續可變，而不改變諧振腔幾何結構的的激光器。通過這種方法可以靈活重複調節激光器工作波長從372到408nm。這種方法在許多領域表現出了巨大的應用潛力，例如光通信，環境監測等。

【圖文導讀】

圖1 核殼結構示意圖和原理

圖（A）去耦增益介質和諧振腔結構示意圖

圖（B）WCVLs作用原理圖，通過泵浦光照射在結構的不同位置可以獲得波長的改變。

圖2 核殼結構的模擬

圖（A）在不同核殼尺寸參數和核心光場強度的關係，插圖是核殼結構支持的基本模式的二位光場分布示意圖

圖（B）設置GaN芯的半徑為75nm，工作波長為390nm，核心光場強度比例在不同模式下的變化

圖（C）將GaN芯的半徑設定為1μm，將工作波長從370改變為410 nm，核心光場強度比例在不同模式下的變化

圖3 核殼結構的表徵和測試

圖（A）GaN微柱結構側壁和正六邊形截面的掃描電鏡圖，圖中插圖是頂部的AFM圖

圖（B）10μm的GaN微棒激發的激光光譜

圖（D）相同微棒激光器的閾值曲線和光譜的半高寬

圖4 GaN核心核殼表面的測試

圖（A）核殼結構轉移到藍寶石襯底上，插圖是核殼結構的HAADF-STEM圖像

圖（B）沿著生長方向從A到B處的掃描能量譜

圖（C）GaN微柱結構不同位置下激發的微型光致發光譜，激發光波長為325nm.

圖5 GaN核心的核殼結構性能

圖（A）激光譜和不同激發點處的實色光學顯微鏡圖像

圖（B）不同激發點的能量依賴關係

圖（C）GaN核心長度對FSR的影響，以及對FP共振的理論計算值

【小結】

該實驗成果證明了一種可以利用增益介質和光學腔室去耦的核殼結構來實現波長的靈活調製，具有結構簡單，無需額外的外圍轉化系統等特點。使用這種方法利用單個合成的微棒可以實現非常高的波長變化率3.6nm /μm，調節範圍也達到了372nm-408nm.採用這種結構的WCVLs可以應用在許多材料領域，在其他相關領域也有著巨大應用潛力。

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