[00296680]半导体微纳激光器

技术原理 微纳激光器是一种由尺寸在微米或亚微米量级的光学谐振腔和增益介质组成的微型激光器，实现了对光在三个维尺度上的限制。通常而言，由于光学腔物理体积的减小，使得微纳光学谐振腔内的径向模式数目相应地减少，进而影响腔中增益介质的自发辐射和激射特性。 微纳激光器在诸多领域有着广泛的应用价值： 首先，由于尺寸非常小，在大规模高密度的集成方面有良好的应用前景，能大大减小器件的体积、降低光学元件的成本； 其次，由于微腔的限制作用，自发辐射耦合到激光模式内的比率增加，降低了激射的阈值，进而降低器件的功耗； 再次，由于光腔的品质因子非常高，微纳激光器具有极高的响应，即使很小的折射率变化也会引起巨大的光学模式变化，因此可以作为超灵敏感应器，使温度、生物的传感甚至单分子的实时监控与探测成为可能； 除此之外，高品质的微纳激光器也是基础研究的一个理想平台，如单光子的发射和检测、强耦合情况下腔量子电动力学的研究等。 技术先进性 近年来，探讨了不同类型的光学微腔，围绕基于圆顶形液滴微纳结构的柔性激光器开展研究，获得了同行的肯定；巧妙利用表面修饰技术，在高性能激子材料与器件的设计与应用方面做出了系统性的创新工作。开展了微纳垂直腔面发射激光器（VCSELs）以及回音壁模式微纳激光器的研究。从增益材料的调控出发，利用激光光谱技术分析讨论材料的光学特性，制备高增益的半导体量子点材料，实现半导体微纳激光器的室温激射。 应用市场 超灵敏传感 我们也提出将微纳谐振腔的概念引入到重金属检测中。通过微纳加工技术制备微纳谐振腔，利用激光器作为光源，锥形光纤作为波导以及探测器采集强度。通过表面改性技术在微腔的表面连接能够捕捉重金属离子的有机官能团。当光纤的倏逝波与微腔实现耦合之后，可以通过探测器接收到的信号来判断峰位是否有移动。由于微纳谐振腔的品质因子很高，既使微小的折射率变化（重金属离子的成功捕捉）也会引起谱线峰位的移动。根据这种原理，可以大大提高微纳传感器对重金属离子检测的灵敏度。 微纳激光显示 平板显示产业是电子信息产业中一个重要的分支，是国民经济和社会发展中一个重要的产业，对社会经济的发展具有显著的拉动效应。目前，显示技术正朝着广色域、长寿命、高效率、低功耗、节能环保等优点方向发展，传统的显示技术已经无法满足这些日益增长的需求。因此，开发符合发展趋势的显示产品无疑是显示领域科技工作者的共识。自1970年实现室温连续输出以来，激光技术的发展就十分迅速。由于激光在单色性、方向性和亮度等方面的优异特性，十分适合应用在显示方面。激光显示可以提供接近人眼感知极限的色彩，有超高的亮度和对比度；此外，激光具有相干性和偏振特性，能够实现大尺寸、任意形状屏幕投影；同时，激光有长的寿命和色彩的高稳定性，是被公认为继黑白显示、标准彩色显示、LCD高清数字显示之后的下一代主流显示技术。本项目基于半导体量子点纳米材料制备三基色微纳激光器，并在此基础上实现小尺寸的激光显示器件，如便携式激光投影仪等。 直腔面发射激光器的结构仿其与设计 系统研究了半导体垂直腔面发射激光器的设计以及热模拟分析，取得了一系列成果。利用传输矩阵法（Transport Matraix Method：TMM）分析谐振腔的共振模式，针对特定有源增益材料设计布拉格反射镜及腔长，形成品质优良的谐振腔。同时引入多次反射与吸收的概念，提高器件的光泵浦效率。众所周知，垂直腔面发射激光器的热效应比较严重，过高的温度会导致光腔谐振模式的移动，降低输入激光的功率。因此，有效抑制激光器的热现象对保证高质量激光的输入具有重要的意义。研究组利用有限元（Finite Element Method：FEM）模拟仿真技术，讨论分析不同的热沉材料对垂直腔面发射激光器的热现象。研究发现，利用热导率较高的金刚石材料作为激光器的热沉材料，可以有效加快激光器的散热现象，降低激光器工作室的升温，从而保证高质量光束的输出。通过亲水键和的方式将热沉材料与激光器进行键和，可以有效抑制激光器的升温现象。这些研究对本实验室拟研发的课题具有重要的指导意义。 图一 垂直腔面发射激光器的设计与热耦合分析 各类微纳激光器的研制与应用 垂直腔面发射微纳激光器： 基于分子束外延技术，成功制备了下反射镜为AlGaN分布式布拉格反射镜、有源增益层为AIInGaN多量子阱、上反射镜为氧化物介质镜的垂直腔结构。 通过纳米球光刻及等离子体刻蚀方法得到六角密排的GaN基微纳圆柱阵列。成功在室温下实现光泵浦垂直腔面发射微纳激光器阵列，并通过实验的进一步控制实现了室温下单纵模激射，阈值功率为0.52MW/cm2。 图二 GaN垂直腔面发射微纳激光器阵列 基于ZnO的回音壁模式微纳激光器： 基于ZnO半导体材料纤锌矿结构，申请人成功制备大小可控的正六边形ZnO微盘，观察到了光泵浦下ZnO微盘的回音壁模式谐振现象，讨论分析了尺寸对光场、模式、激射阈值以及品质因子等的影响，总结出ZnO回音壁模式光学谐振的规律。 图三 ZnO回音壁微纳激光器 微纳光纤激光器： 利用提拉法制备尺寸可控的聚合物微纳纤维，在激光泵浦下，实现室温下回音壁模式激射。为了得到单纵模微纳激光器，基于Vernier效应，通过耦合聚合物纤维，首次得到了这类材料中的回音壁单纵模激射。 图四 微纳光纤激光器 这些研究工作的展开为本实验室的组建及拟开展的研发工作奠定了基础，具有重要的参考意义，为本项目的顺利开展和圆满完成提供了很大的支持。此外，前期的实验结果进一步证明了本研究立题依据的合理性和可行性。 图五 CdSe纳米片材料的的手性配体交换 材料的手性表明了材料对圆偏振光的鉴别能力，手性越强，对圆偏振光的鉴别能力越大。近年来，手性传感在食品检测和环境检测中有非常优秀的表现。一般来说，半导体纳米材料的手性来源有三点：一是半导体有一些本征的手性的错位或者缺陷；二是通过在纳米材料的表面接上一些手性分子，使得原本不带手性的纳米材料带上手性；三是不带手性的纳米材料通过自组装形成手性结构。这些带手性的材料均可被用于传感。与传统的硒化镉（CdSe）量子点和量子棒相比，二维的CdSe纳米片只有几层原子，它的吸收和发光的性质都大有不同。通过配体交换的方法，将CdSe纳米片的油酸配体替换为手性半胱氨酸（Cys）分子。Cys-CdSe纳米片就能带上手性，同时，能溶于水中。半胱氮酸分子带有一个巯基基团，这个巯基能与铅离子有较强的亲和度，所以半胱氨酸能将CdSe纳米片表面的油酸配体替换掉。铅离子与巯基的结合力要远强于镐离子与巯基的结合力，所以Cys-CdSe纳米片这一体系能用来检测水体中的铅离子。同时，铅离子的浓度可以通过cys-CdSe纳米片的手性信号来体现；铅离子浓度越高，手性信号越弱。