科研進展

微型芯片白色激光器研究取得重要進展

近日,上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授课题组首次通过波导耦合技术在微型波导芯片上实现具有方向性、准直性以及颜色可调的微型芯片白色激光器,成果以“White beam lasing from a hybrid micro-cavity with slab–capillary mode coupling”为题于6月24日发表在Physical Review Applied上。

由于在集成光電子器件、生物光子學中的應用前景,單個微型芯片激光器成爲微納光電子領域的研究熱點。目前科學家致力于研究開發直接光束輸出的白色激光微型激光器。在大健康多學科融合的時代背景下,作爲光學探測以及生物光子學研究領域中一個極其重要的研究方向,波長可調的微型芯片激光器能有效利用安全穩定的激光激發材料信號並獲取信息,具有解決實際問題的巨大潛力。

图一 :微型激光器的结构以及实验测到的激光光谱图,并且可以在可见光波段任意可调的实验图。

 

本论文报道的是一种混合多通道金属覆盖平板-毛细管微腔,该微腔在室温下可以同时激发红绿蓝三基色激光。通过控制注入微腔通道里面的不同染料和染料的浓度,在该微腔中实现白色激光并且颜色可调。实验中我们得到只有~1nm线宽的红绿蓝激光峰值,并且激光光束单一方向输出。该微腔的设计具有三个方面的优点: 1、利用超高阶导模激发空心毛细管的本征模式形成一个内部振荡场;2、空心毛细管包裹一层厚银使得共振模式在径向形成一个驻波场,从而实现低阈值激发白色激光;3、在沿着毛细管两端方向也是包裹厚银层使得激发的激光和荧光在传输的过程中被银膜吸收只保留单一共振波长的激光从单一通道里面方向性出射。基于上述三个创新的思想和技术,我们实现了单个芯片上集成的多波长且可调的白色激光器,同时因为该激光器体积小,激发激光阈值低,易于集成,从而为微型激光器的研究提供了一种全新的方法。

圖二:紅綠藍三色激光阈值曲線圖

这项工作解决了两个微型激光器研究的问题:1、金属覆盖空芯毛细管空芯腔可以更换不同的染料和浓度,能激发出不同波长和强度的激光。白色激光光束从毛细管两端发射,具有好的方向性,解决了不能直接得到白色激光光束问题。(Nat. Nanotechnol. 7, 335 (2012));2、激光光束向两端传输,利用腔模式与激光模式振荡,解决了激光输出中宽线宽荧光背景的问题(Nature 7, 701 (2008)和Nat. Photon. 5, 176 (2011))。

该项工作的论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院戴海浪博士,通信作者为陈险峰教授,河海大学殷澄副教授参与了该工作的理论分析。该工作得到了中国国家重点研究计划项目(项目编号No. 2018YFA0306301,2017YFA0303701)和中国国家自然基金支持(NSFC) (项目编号No. 11734011); 上海市科学技术研究项目支持 (项目编号 No. 17JC1400400).

文章链接:Hailang Dai, Cheng Yin, Zhiyuan Xiao, Zhuangqi Cao, and Xianfeng Chen, White beam lasing from a hybrid micro-cavity with slab–capillary mode coupling, Physical Review Applied, 11, 064055 (2019).10.1103/PhysRevApplied.11.064055.