綠光激光器射出來的光是綠色的嗎？
發(fā)布時(shí)間：2021-01-25 11:52
瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工工學(xué)院開發(fā)出一種量子點(diǎn)環(huán)形激光器。這個(gè)激光器可發(fā)出紅光、綠光和橙色光，并可在高功率下進(jìn)行色彩轉(zhuǎn)換。未來，量子點(diǎn)環(huán)形激光器有望用于激光顯示、化學(xué)傳感和其他領(lǐng)域。
綠光激光器射出來的光是綠色的嗎？據(jù)物理學(xué)組織網(wǎng)站2018年1月22日?qǐng)?bào)道，研究人員設(shè)計(jì)出一種稱為量子點(diǎn)環(huán)形激光器的新型激光器。這個(gè)激光器能輻射出紅色、橙色和綠色光。不同的量子點(diǎn)輻射出不同顏色的光——紅色光來自中心量子點(diǎn)，綠色光來自外殼量子點(diǎn)，橙色光是中心量子點(diǎn)和外殼量子點(diǎn)輻射光的結(jié)合——并可通過控制來自中心量子點(diǎn)和外殼量子點(diǎn)輻射光之間的競爭，輕松進(jìn)行切換。
基于銦氮化鎵（InGaN）的激光二極管可以直接制造藍(lán)光發(fā)射版本，但難以制造綠光，尤其是人類認(rèn)為真正的綠色，具有更長波長的綠色：早期綠色激光二極管通常具有輕微的青色鑄件。歐司朗光電半導(dǎo)體（德國雷根斯堡）是推出綠色發(fā)光InGaN激光二極管的商業(yè)先驅(qū)，一直推動(dòng)原件邊界，目前已推出基于InGaN的直接發(fā)射綠色激光二極管，波長從510到530納米，綠光激光器的工作原理用于皮投影和其他紅綠藍(lán)（RGB）或綠色激光應(yīng)用。
綠光激光器射出來的光是綠色的嗎？
這項(xiàng)工作展示了以量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的激光器可能產(chǎn)生的有趣效果，量子點(diǎn)是由半導(dǎo)體材料制成的納米晶體。在這些激光器中，量子點(diǎn)外殼通常涂有不同的材料。當(dāng)發(fā)光時(shí)，外殼量子點(diǎn)不僅輻射出光，而且還將受激載流子（激子）轉(zhuǎn)移至中心量子點(diǎn)，這增強(qiáng)了激光器中心光輻射能力。
為了使量子點(diǎn)激光器在僅由中心量子點(diǎn)發(fā)光和僅由外殼量子點(diǎn)發(fā)光之間進(jìn)行切換，研究人員設(shè)計(jì)了一種特殊的激光微腔，這是激光器的中心部分，負(fù)責(zé)限制光和反射光，直到光變得高度相關(guān)。雖然已對(duì)量子點(diǎn)激光器開展廣泛研究，但是目前并沒有對(duì)激光微腔對(duì)量子點(diǎn)激光器的性能影響開展大規(guī)模研究。
在新的研究中，科學(xué)家制備出由高度結(jié)構(gòu)化量子點(diǎn)環(huán)形陣列構(gòu)成的高質(zhì)量激光微腔。由此研制出的激光器表現(xiàn)出非常高的腔質(zhì)量因子，幾乎比具有隨機(jī)激光微腔的傳統(tǒng)量子點(diǎn)激光器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
這些激光器安裝在集成光電二極管的TO38icut或TO56封裝中（它們非常小，凸緣直徑3.8 mm），典型的發(fā)散角為7°平行22°垂直，小到足以通過相對(duì)簡單的光學(xué)器件進(jìn)行環(huán)化和準(zhǔn)直。歐司朗說，這是基于微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的投影儀的一個(gè)重要特性，其中每個(gè)像素的顏色成分來自激光二極管的發(fā)射時(shí)間。
現(xiàn)有的小型綠光激光器競爭主要以倍頻二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器的形式出現(xiàn)，這種激光器在第一批綠色激光指示器中常見。這些激光器相對(duì)復(fù)雜，包含用于泵浦固態(tài)激光器的紅外泵激光二極管，以及用于將所得IR光頻率加倍到綠色中的非線性光學(xué)晶體。相比之下，直接發(fā)射激光二極管僅包含 - 直接發(fā)射激光二極管。
蘇黎世聯(lián)邦理工工學(xué)院材料工程教授諾瑞斯教授說：“我們能夠證明一個(gè)簡單的制造方法，產(chǎn)生高質(zhì)量環(huán)形腔，使我們能夠探索量子點(diǎn)激光器中的“色彩轉(zhuǎn)換”行為。在低質(zhì)量的微腔中，我們不太可能觀察到這種效果。”
研究人員證明，在低功率的情況下，新的激光器從中心量子點(diǎn)發(fā)出紅光，而在較高功率下，從殼體量子點(diǎn)發(fā)出綠光。在中等功率下，發(fā)出的光來自中心量子點(diǎn)和殼層量子點(diǎn)，因此呈現(xiàn)橙色。正如研究人員所解釋的那樣，只要激光功率足夠高，就可以完全抑制核心發(fā)射，因?yàn)楹诵陌l(fā)射發(fā)生在皮秒時(shí)間尺度上，而殼發(fā)射發(fā)生在亞皮秒時(shí)間尺度上，因此可以大大超出核心發(fā)射。
未來，量子點(diǎn)激光器的獨(dú)特性質(zhì)可能導(dǎo)致激光顯示、化學(xué)傳感和其他領(lǐng)域。但是在這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)之前，綠光激光器射出來的光是綠色的嗎？研究人員計(jì)劃進(jìn)一步提高激光器性能。
在此次工作中，我們驗(yàn)證了“色彩轉(zhuǎn)換”效應(yīng)，但是在功率非常高的情況下發(fā)生顏色改變。下一步研究將探索相同的效應(yīng)能否在更合理的功率下實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于應(yīng)用來說將非常有用。幸運(yùn)的是，量子點(diǎn)不斷改善（就激光性能而言），我們可以立即將這些改進(jìn)應(yīng)用到我們的器件上。
綠光激光器直接發(fā)射綠色激光二極管可以幫助實(shí)現(xiàn)實(shí)用的高功率嵌入式投影儀，并可在小型投影機(jī)中實(shí)現(xiàn)倍頻DPSS激光器。歐司朗表示，激光也可以用于激光顯示，因?yàn)樗鼈兊母吖馐|(zhì)量使非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)能夠在相當(dāng)遠(yuǎn)的距離顯示非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)。投影儀還受益于高熱穩(wěn)定性和小尺寸的激光二極管。例如，在建筑商使用的點(diǎn)或線投影激光器中，由于在相同的光功率下，綠光比紅光更可見，因此距離更遠(yuǎn)是可能的。
