Шанхайский институт оптической механики Китайской академии наук добился прогресса в создании одномодовой поляризованной экситонной лазерной генерации на основе сверхнизкопорогового ридберговского состояния на основе симметрии

Недавно группа исследователей из Исследовательского центра инфракрасных оптических материалов Шанхайского института оптики и точного машиностроения (SIPM) Китайской академии наук (CAS) Хунсин Донг и Лун Чжан в сотрудничестве с Хуачжунским университетом науки и Technology (HUST) сообщила о новом механизме генерации динамически перестраиваемых одномодовых лазеров на основе экситон-поляритонных возбуждений со сверхнизкими порогами, а результаты соответствующих исследований представлены в статье «Ридберговская одномодовая поляритонная генерация». «Одномодовая поляритонная генерация Ридберга со сверхнизким порогом посредством инженерии симметрии» была опубликована в журнале Nano Letters.
Реализация одномодовых нанолазеров с высокой энергоэффективностью и настраиваемой полосой пропускания необходима для многих технологических приложений, таких как полностью оптическая обработка информации, оптическое шифрование, биомедицинская визуализация сверхвысокого разрешения и миниатюрные интеллектуальные дисплеи. Некоторые стратегии, применяемые в настоящее время для получения одномодовых лазеров, все еще имеют ограничения. Кроме того, существующие средства регулирования длины волны излучения по своей сути статичны, и необходимо изучить новые механизмы, способные генерировать динамически перестраиваемые одномодовые лазеры. В последние годы большое внимание привлекли экситонно-поляризованные экситоны, обладающие свойствами как фотонов, так и экситонов. По сравнению с обычными лазерами, поляризованные экситонные лазеры не требуют инверсии заданного числа и могут достигать настройки мод за счет модуляции квантованных экситонных поляризованных экситонных состояний, что является идеальной платформой для изучения динамически перестраиваемых сверхнизкопороговых лазеров.

Рис. 1 (а) Принципиальная схема квантово-поляризованного экситонного состояния в симметричной ловушке; (б) смоделированные спектры ФЛ, соответствующие экспериментальной конфигурации, показанной на рис. а; (в) квантово-поляризованное экситонное состояние в асимметричной ловушке; (d) смоделированные спектры ФЛ, соответствующие экспериментальной конфигурации, показанной на c; (д) СЭМ-изображение типичного микростержня ZnO; (е) ФЛ-изображение типичного микростержня ZnO с угловым разрешением радиусом 1,27 мкм. (ж) Пространственно разрешенное ФЛ-изображение поляризованного экситона, удерживаемого в ловушке.
Исследователи сообщают о реализации перестраиваемой одномодовой поляризованной экситонной генерации на высоковозбужденных состояниях Ридберга посредством инженерии симметрии. Нарушение симметрии волновой функции поляризованного экситона посредством потенциальной ловушки и управление пространственным перекрытием между областью усиления и собственной модой позволяют генерировать обратимые и динамические одномодовые поляризованные экситонные лазеры из квантованных поляризованных экситонных состояний. Увеличение асимметрии потенциальной ямы позволяет осуществлять одномодовую генерацию даже в высоковозбужденных состояниях с главным квантовым числом N=14. Кроме того, порог генерации может быть снижен на шесть порядков по сравнению с традиционной генерацией благодаря превосходному перекрытию собственных мод резервуара и эффективному пространственному ограничению. Разработанный в результатах исследований механизм не зависит от какого-либо конкретного материала и применим к различным поляризованным экситонным системам, что открывает новые возможности для разработки беспороговых поляризованных экситонных лазеров с динамической перестройкой.

Рис. 2 (ad) Зависимость от положения накачки пространственно разрешенных изображений ФЛ в симметричной ловушке. Δx, указанное на каждом рисунке, представляет собой смещение пятна возбуждающего лазера от центра ловушки; (д) спектры, соответствующие изображениям, показанным в объявлении, соответственно; и (fi) зависимость от положения накачки пространственно разрешенных изображений ФЛ в асимметричной ловушке. Δx представляет собой смещение лазерного пятна накачки из антиподальной плоскости волновой функции поляритона в основном состоянии. Мощность накачки: 1,25 Пт; (j) Спектры, соответствующие изображениям, показанным на f-1 соответственно.

Рис. 3 (ad) Пространственно разрешенные изображения ФЛ сильно асимметричной ловушки, селективно накачиваемой в N=2, 3, 7 и 14 возбужденных состояниях соответственно, с мощностью накачки: 1,35 Pth; (д) Пространственно разрешенные изображения ФЛ сильно асимметричной ямы, селективно накачиваемой в N=2, 3, 7 и 14 возбужденных состояниях соответственно, с мощностью накачки: 1,35 Pth.